Brevet FR2800868A1 — publié le 20010511

La présente invention concerne un dispositif gyrostabilisé léger support d'objets. Il est destiné à stabiliser objet tel qu'une caméra sur tout engin aérien, terrestre ou marin subissant des mouvements. Il peut être télécommandé pour orienter l'objet dans une direction souhaitée. Les systèmes gyrostabilisés existants sont de poids relativement élevé et ne peuvent donc pas être installés sur des engins pour lesquels la légèreté est primordiale, comme par exemple des ballons a hélium de petite taille ou des voiliers de course. Les quelques systèmes gyrostabilisés légers existants stabilisent que sur deux axes ou par conception ne peuvent garantir une stabilisation efficace, car les trois axes de rotation de ces systèmes ne sont orthogonaux entre eux que pour une position unique de l'objet à stabiliser, et s'éloignent donc très vite de l'orthogonalité dés que cet objet est orienté. La stabilisation s'en trouve alors fortement perturbée. Par ailleurs, les gyroscopes parfaits n'existant pas, une légère dérive finit par apparaître au fur et à mesure des mouvements, induisant un décalage progressif de l'orientation de l'objet à stabiliser. Le dispositif selon l'invention permet de remédier à ces inconvénients. En effet, son principe de fonctionnement et l'agencement de ses éléments permettent une stabilisation efficace sur trois axes, avec un minimum de moteurs, de réducteurs, de gyroscopes et d'équipement électronique, donc un gain de poids. Ainsi trois gyroscopes seulement sont nécessaires, et trois moteurs servent à la fois à orienter l'objet et à le stabiliser. D'autre part, le dispositif n'a pas à amortir les vibrations hautes fréquences, il n'a donc pas de système mécanique d'amortissement utilisant des masses inertielles. Il est conçu pour supporter des objets légers, tels que les caméras 'déo numériques haute définition apparues récemment sur le marché de la télévision. Le dispositif est donc constitué de petits moteurs a démultiplication simple et légère, dans une structure allégée. Le présent dispositif est constitué de quatre éléments reliés entre eux par trois axes et de trois moteurs agissant sur lesdits axes, chaque moteur étant asservi à un gyroscope et éventuellement à un mécanisme de rappel ainsi qu'a un pupitre de commande. Pour chaque axe, un gyroscope enregistre les mouvements de rotation, et commande à un moteur de faire tourner ledit axe dans le sens inverse. Les dessins annexés illustrent le dispositif - La figure 1 montre en perspective schématique, selon une forme de réalisation préférentielle non limitative, la disposition des différents éléments du dispositif lorsque celui ci est dans sa position de repos. Dans cette dite position de repos, les trois axes du dispositif sont orthogonaux entre à quelques degrés de liberté près quelle que soit la direction visée par l'objet à stabiliser, et doivent être dans cette position lorsque l'engin support du dispositif est lui-même dans sa position de repos. Ladite position de repos de l'engin est définie comme étant la position de l'engin lorsque celui-ci n'est pas soumis à des mouvements perturbateurs dus par exemple au vent ou aux vagues. - La figure 2, est représentation en coupe du dispositif. - La figure 3 représentation en coupe d'une variante de ce dispositif, supportant une caméra. En référence dessins, le dispositif est fixé à l'engin mobile par l'élément () de manière que l'axe (la) soit vertical par rapport au sol lorsque ledit engin est au repos. Selon une première caractéristique du dispositif, celui-ci comporte quatre éléments (1), (2), (3) et (4) agencés de la manière suivante : un premier élément (4) qui est le support de l'objet à stabiliser, tournant autour d'un axe de site (3a) lié à un deuxième élément (3) ; le deuxième élément (3) tournant autour d'un axe de roulis (2a) lié à un troisième élément (2) ; le troisième élément (2) tournant autour axe de gisement (1 a) lié à un quatrième élément (1) ; le quatrième élément (1) rendu solidaire de l'engin mobile support du dispositif, ce qui permet à ces trois axes d'être orthogonaux entre à quelques degrés de liberté près, quelle que soit la direction visée par l'élément (4) support d'objet, assurant ainsi une stabilisation efficace sur trois axes lorsque l'engin mobile oscille autour de sa position de repos. En effet, lors de mouvements, pendant la stabilisation, les trois axes sont toujours orthogonaux entre eux deux à deux, mais l'axe (3a) peut ne plus être orthogonal à l'axe (la). Toutefois, étant prévus pour osciller assez rapidement (quelques secondes d'écart) autour de leur position de repos, les trois axes ne s'éloignent jamais longtemps de l'orthogonalité entre La stabilisation sur trois axes est d'autant meilleure que l'axe ( ) ne s'éloigne pas trop de l'orthogonalité avec l'axe (la). Remarquons que si deux axes se retrouvent colinéaires, le dispositif n'est plus gyrostabilisé que sur deux axes. Suivant une autre caractéristique du dispositif, le gyroscope (6a) qui commande le moteur (5a) de l'axe (la) est placé dans l'élément (1) avec son axe de mesure parallèle à l'axe (la), le gyroscope (6b) qui commande le moteur (5b) de l'axe (2a) placé dans 'lément (2) avec son axe de mesure parallèle à l'axe ( ) et le gyroscope (6c) qui commande le moteur (5c) de l'axe (3a) est placé dans 'lément (2) avec son axe de mesure perpendiculaire axes (1 a) (2a). Ainsi, deux gyroscopes (6b) et (6c) sont contenus par l'élément (2) tandis que le troisième (6a) est contenu par élément (1), de sorte que les axes de mesure de ces trois gyroscopes sont toujours orthogonaux entre eux, ce qui leur permet d'enregistrer les rotations sur leur axe indépendamment des rotations des deux autres axes. De plus, les trois gyroscopes ne sont pas placés sur les éléments qu'ils stabilisent, de manière à ne pas détecter les corrections qu'ils ont induites et à ne pas entrer en résonance. Ainsi, un déplacement volontaire de l'objet à partir du pupitre de commande n' pas détecté par les gyroscopes et n'induit donc pas de mouvement involontaire, même lorsque l'axe (3a) n'est pas parfaitement orthogonal à l'axe (l a). Suivant une autre caractéristique du dispositif, celui ci peut être muni d'un mécanisme de rappel (magnétique, électrique ou gravitationnel) qui empêche les dérives du dispositif, et permet notamment, lorsqu'il est utilisé sur l'axe (2a), que les trois axes soient toujours orthogonaux entre eux à quelques degrés de liberté près lorsque l'engin support du dispositif passe par sa position de repos, et ceci, bien sur, quelle que soit la direction visée par l'élément (4). En effet, les gyroscopes et les moteurs parfaits n'existant pas, une légère dérive de l'orientation des éléments apparaît avec le temps. Le mécanisme de rappel s'oppose à cette dérive agissant faiblement sur le moteur concerné, de manière à ne pas gêner la stabilisation. Ceci permet une stabilisation efficace trois axes avec une conception simple et donc un minimum de poids, quelle que soit la direction visée par l'élément ( ). Ce mécanisme de rappel peut également être utilisé sur les trois axes pour permettre à l'élément (4) de conserver une direction désirée pendant une très longue période. Le mécanisme de rappel magnétique est basé sur le principe suivant : Les gyroscopes mécaniques fonctionnent par effet Hall, c'est à dire que lors d'une rotation du gyroscope sur son de mesure, un petit volant d'inertie motorisé et aimanté s'incline un capteur détecte que le champ magnétique de ce volant d'inertie est écarté de sa position de repos. Le mécanisme de rappel magnétique constitué d'un aimant (7) fixé sur l'un des axes ((2a) sur la figure ), à proximité duquel est placé le gyroscope (6b) agissant sur le moteur (5b) de cet axe. Ainsi, lorsque pendant la stabilisation ledit (2a) s'écarte de la position initialement déterminée pour laquelle aimant n'a plus d'effet sur ledit gyroscope, ce dernier détecte le décalage du champ magnétique de l'aimant fixé sur l'axe comme s'il s'agissait du champ magnétique de son volant d'inertie, et il induit un léger rappel qui tend à ramener lentement ledit axe vers cette position prédéterminée. Ainsi les deux éléments liés par cet axe tendent à revenir vers un angle prédéterminé entre eux. Le mécanisme de rappel magnétique a une influence négligeable sur la stabilisation car les champs magnétiques s'additionnent, et celui du volant d'inertie du gyroscope est beaucoup plus intense que celui de l' Il peut être utilisé sur l'axe (2a) pour permettre aux trois axes être pratiquement orthogonaux entre eux lorsque l'engin passe par sa position de repos, et donc d'avoir une stabilisation efficace sur trois axes. Le mécanisme de rappel électrique a le même effet que le mécanisme de rappel magnétique. Il est constitué d'un potentiomètre (8) actionné par l'un des axes (2a) et agissant légèrement sur le moteur (5b) de cet axe pour ramener lentement ledit axe vers une position donnée, qui est déterminée par le neutre du potentiomètre, dès qu'il tend à s'en éloigner pendant la stabilisation. Ainsi les deux 'léments liés par cet axe tendent à revenir vers un angle prédéterminé entre eux. En même temps, le gyroscope (6b) continue stabiliser et envoie des ordres au moteur qui s'additionnent à ceux du potentiomètre tout en étant beaucoup plus efficaces que ces derniers. Le mécanisme de rappel électrique a donc influence négligeable sur la stabilisation. Il peut être utilisé sur (2a) pour permettre aux trois axes d'être pratiquement orthogonaux entre eux lorsque l'engin passe par sa position de repos et donc avoir une stabilisation efficace sur trois axes. Le mécanisme de rappel gravitationnel (non représenté) est constitué d'un potentiomètre, actionné par un balancier gravitationnel qui est stabilisé par des volants d'inertie motorisés, ledit potentiomètre agissant légèrement sur le moteur de l'un des deux axes perpendiculaires à la gravité (2a) ou (3a) pour maintenir l'élément (3) ou (4) tournant autour de cet axe dans position donnée par rapport à la gravité. Le mécanisme rappel gravitationnel nécessite la présence d'un mécanisme de rappel électrique l'axe précité. En effet, lorsque le potentiomètre du balancier gravitationnel tourne par rapport à l'engin qui a subi un mouvement, moteur sur lequel il agit reçoit une tension qui le fait tourner également, puis un second potentiomètre (8) tournant avec l'axe relié à moteur diminue lentement la vitesse de rotation dudit moteur jusqu 'l'arrêter lorsque ledit axe a tourné du même angle que le balancier gravitationnel par rapport à l'engin mobile. L'axe de rotation du balancier est parallèle à l'axe du dispositif sur lequel il agit. L'effet du mécanisme de rappel gravitationnel s'additionne à celui des gyroscopes. Le mécanisme de rappel gravitationnel se distingue des mécanismes de rappel magnétique et électrique en ce qu'il n'essaye pas de ramener les éléments liés par l'axe sur lequel il agit vers un gle prédéterminé entre eux. Il utilise la gravité comme référence tandis que les deux autres se réfèrent à l'engin support du dispositif. mécanisme permet par exemple de maintenir l'élément (3) horizontal donc sans dérive sur un voilier. En effet, en raison des changements de la gîte et des virements de bord, les voiliers n'oscillent pas nécessairement autour d'une position de repos, comme c' le cas par exemple sur une grue ou sur un ballon captif, qui dans vent bouge toujours autour d'une position moyenne. Le mécanisme de rappel gravitationnel peut se situer à l'extérieur des quatre éléments (1), (2), (3) et (4) , à condition qu'il soit solidaire de l'engin support du dispositif. Suivant une autre caractéristique du dispositif, moteurs peuvent être actionnés par un pupitre de commande relié ondes par câbles au dispositif, cette action s'additionnant ` celle des gyroscopes et à celle des mécanismes de rappel, ce permet orienter volontairement l'objet tout en continuant à le stabiliser vis à vis des mouvements perturbateurs que subit l'engin support du dispositif. Suivant une autre caractéristique du dispositif, celui ci peut comporter un ou plusieurs collecteurs tournants (9a) et (9b) reliés axes du dispositif, et acheminant les informations 'lectriques élément à l'autre, ce qui permet à ces éléments tourner autour de leur axe sans torsader les fils électriques (10) et donc sans limitation du nombre de tours. Selon des modes particuliers de réalisation Chacun des quatre éléments peut avoir une forme propre, différente de la forme de réalisation préférentielle des figures 1 et 2. Notamment, selon la variante représentée à la figure 3, l'élément (2) peut servir d'enveloppe protectrice pour le système, et l'élément (1) de mâchoire de fixation sur l'engin qui supporte le dispositif. - Chaque axe peut avoir son fonctionnement propre. Notamment, selon une variante non représentée, l'un des éléments peut tourner dans un autre sur un rail circulaire, l'axe étant alors virtuel. - Le dispositif peut être rendu étanche, d'une part par la fermeture hermétique de ses différents éléments et par l'utilisation de joints toriques sur ses axes, et d'autre part par l'utilisation d'une enveloppe souple réalisée dans un tissu imperméable enveloppant hermétiquement les parties mobiles du dispositif. Ceci permet de protéger le dispositif des projections d'eau et de la condensation. - Pour certaine application particulière, comme sur des bateaux, la stabilisation de l'axe de gisement (la) peut être déconnectée. Cependant, un mécanisme de rappel peut être utilisé sur chacun des deux axes restants afin d'éviter toute dérive, tel que sur plusieurs oscillations l'objet à stabiliser reste en moyenne dans le temps orienté de la même manière, par rapport à la verticalité si le rappel est gravitationnel et par rapport au support du dispositif s'il est magnétique ou électrique. - L'élément ( 1) dispositif peut être rendu solidaire d'un mécanisme d'amortissement des mouvements de translation, tel qu'une grue articulée de prise de vue ou qu'un système individuel de stabilisation mécanique de caméra. Ce couplage permet de compenser les mouvements de rotation comme ceux de translation que subit l'engin mobile support du dispositif. Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné à la stabilisation de cameras de prise de vue sur des engins mobiles pour lesquels la légèreté est primordiale, mais il convient à beaucoup d'autres applications. REVENDICATIONS 1 Dispositif léger gyrostabilisé sur trois axes support d'objets, destiné à stabiliser un objet tel qu'une caméra tout engin aérien, terrestre ou marin subissant des mouvements, caractérise en ce qu'il comporte quatre éléments (1), (2), ( ) et (4) agencés d la manière suivante : un premier élément (4) qui le support l'objet à stabiliser, tournant autour d'un axe de site ( ) lié à un deuxième élément (3) ; le deuxième élément (3) tournant autour d'un axe de roulis (2a) lié à un troisième élément (2) ; troisième 'lément (2) tournant autour d'un axe de gisement (l a) lié à un quatrième élément (1) ; le quatrième élément (1) rendu solidaire de l'engin mobile support du dispositif, ce qui permet à ces trois axes d'être orthogonaux entre eux à quelques degrés de liberté près, quelle que soit la direction visée par l'élément (4) support d'objet, assurant ainsi une stabilisation efficace sur trois axes lorsque l'engin mobile oscille autour de sa position de repos. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en qu'il est muni de trois gyroscopes (6a), (6b) et (6c) agencés de la manière suivante : le gyroscope (6a) stabilisant l'élément (2) sur de gisement (1a), est placé dans l'élément (1) solidaire de engin mobile avec son axe de mesure parallèle audit axe (l a) ; le gyroscope (6b) stabilisant l'élément (3) sur l'axe de roulis (2a) est placé dans l'élément (2) avec son axe de mesure parallèle audit axe (2a) ; le gyroscope (6c) stabilisant l'élément (4) sur l'axe de site (3a) est placé dans l'élément (2) avec son axe de mesure perpendiculaire aux axes ( 1 a) et (2a), de sorte que les axes de mesure de trois gyroscopes sont toujours orthogonaux entre eux, ce qui permet d'enregistrer les rotations sur leur axe indépendamment des rotations des deux autres axes. 3 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en qu'il comporte un mécanisme dit de rappel magnétique constitué un aimant (7) fixé sur l'un des axes, à proximité duquel est placé le gyroscope agissant sur le moteur de cet axe, de telle manière que lorsque ledit axe s'éloigne de la position prédéterminée pour laquelle l'aimant n'a plus d'effet sur ledit gyroscope, ce dernier induit un léger rappel qui tend à ramener lentement ledit vers cette position, tout en ayant une influence négligeable sur stabilisation. 4 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte mécanisme dit de rappel électrique constitué par un potentiomètre (8) actionné par l'un des axes et agissant légèrement sur le moteur de cet axe pour ramener lentement ledit axe vers une position, donnée, qui est déterminée par le neutre du potentiomètre, dès qu'il tend à s'en éloigner pendant la stabilisation, tout en ayant une influence négligeable sur cette stabilisation. 5 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte mécanisme dit de rappel gravitationnel, constitué d'un potentiomètre actionné par un balancier gravitationnel qui est stabilisé par des volants d'inertie motorisés, ledit potentiomètre agissant légèrement sur le moteur de l'un des deux axes perpendiculaires à la gravité (2a) ou (3a), l'axe de rotation du balancier étant parallèle à l'axe du dispositif sur lequel il agit. 6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ses moteurs sont actionnés par un pupitre de commande relié par ondes ou par câbles dispositif, cette action s'additionnant à celle des gyroscopes et a celle des mécanismes de rappel, ce qui permet d'orienter volontairement l'objet tout en continuant à le stabiliser vis à vis des mouvements perturbateurs que subit l'engin. 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un plusieurs collecteurs tournants (9a) et (9b) reliés aux axes du dispositif, et acheminant les informations électriques d'un élément a l'autre, ce qui permet à ces éléments de tourner autour de leur torsader les fils électriques (10) et donc sans limitation du nombre tours. 8 - Dispositif selon l'une quelconque revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un élément (2) sert d'enveloppe protectrice pour le système, et un autre (1) de mâchoire de fixation sur l'engin qui supporte le dispositif. 9 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'un des éléments tourne à l'intérieur d'un autre sur un rail circulaire, l'axe de rotation devenant ainsi virtuel. 10 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce la stabilisation de l'axe de gisement (la) est déconnectée et que deux autres axes comportent un mécanisme de rappel permettant une stabilisation sur deux axes sans dérive. 11 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est rendu étanche d'une part par la fermeture hermétique de ses différents éléments et par l'utilisation de joints toriques sur ses axes, et d'autre part par l'utilisation d'une envelpppe souple réalisée dans un tissu imperméable enveloppant hermétiquement les parties mobiles du dispositif. 12 - Dispositif selon 1' quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce l' élément (1) est rendu solidaire d'un mécanisme d'amortissement mouvements de translation, tel qu'une grue articulée de prise de vue ou qu'un système individuel de stabilisation mécanique de caméra, qui permet de compenser les mouvements de rotation comme ceux translation que subit l'engin mobile support du dispositif.