Brevet FR2808084A1 — publié le 20011026

La présente invention se rapporte aux dispositifs qui permettent de mesurer l'assiette et le cap d'un objet sur lequel ils sont fixés. Elle s'applique plus particulièrement à la mesure de ces paramètres pour les objets immergés dans la mer, notamment les antennes acoustiques linéaires remorquées utilisées en particulier dans la prospection pétrolière. II est particulièrement important dans les activités sous-marines, plus particulièrement en technique acoustique sonar, de connaître aussi bien le positionnement, que l'assiette et le cap des objets, les antennes sonars exemple, qui sont maintenus dans le sein de la mer en étant suspendus remorqués par un bateau. Les techniques connues permettent d'obtenir relativement facilement le positionnement de ces objets, mais la mesure de l'assiette et du est beaucoup plus difficile à obtenir, en raison des variations importantes de ces paramètres sous l'effet des tourbillons générés aussi bien par les courants marins que par l'action du remorquage. Classiquement, on obtient l'angle de cap à l'aide d'un compas et angles de tangage et de roulis à l'aide d'inclinomètres. Toutefois pour obtenir une précision suffisante ces objets doivent être d'un modele encombrant lourd et coûteux. Ces inconvénients sont d'autant plus marqués l'objet que l'on souhaite équiper avec un tel appareil est de dimensions petites. C'est en particulier le cas des antennes acoustiques remorquées, dont la longueur peut être très grande mais dont le diamètre est seulement l'ordre de quelques centimètres. Dans ce dernier cas, on souhaite en plus pouvoir disposer plusieurs de ces dispositifs le long de l'antenne, afin pouvoir mieux préciser la géométrie de celle-ci sous l'effet des courants marins. Avec les dispositifs classiques cela est impossible. Pour pallier ces inconvénients l'invention propose un dispositif mesure d'assiette et de cap, principalement caractérisé en ce qu'il comprend trois sondes accélérométriques alignés sur des axes orthogonaux trois sondes magnétométriques placées à proximité des sondes accélérométriques et alignées sur des axes parallèles aux dits axes orthogonaux, et des moyens de calcul pour obtenir à partir des signaux G,,, Gy, GZ de mesure des sondes accélérométriques et des signaux NX, Ny, NZ de mesure des sondes magnétométriques les angles de cap P, de tangage a et de roulis y définissant le et l'assiette de ce dispositif. Selon une autre caractéristique il comprend des moyens pour obtenir le module du vecteur d'accélération G avec IIGII2 =Gx +GY +GZ, des moyens pour obtenir par formules les composantes vecteur N' correspondant @à la projection du vecteur N donnant le champ magnétique local sur un plan P perpendiculaire au vecteur G des moyens pour obtenir par les formules les composantes l'axe X projection de l'axe X sur le plan P, des moyens pour déterminer la formule le module du vecteur des movens pour déterminer par la formule le module du vecteur moyens (611) pour obtenir par la formule une valeur ambiguë l'angle de cap P, des moyens pour obtenir par la formule S_GX(X'yN'Z-N'yX'y)+Gy(X'zNX-X'XlV'z)+Gz(X'XN'y-N'XX'y) terme S permettant de lever l'ambiguïté sur @' et des moyens pour déterminer par les formules S S > 0, P = 2n - p' Si S un angle a' et pour déterminer l'angle de tangage a par la formule a = a'-ir/2, des moyenspour déterminer par la formule un angle Y , et des moyens de test pour déterminer à partir des valeurs de Gy et Gz l'angle de roulis y par G Y = 3z -Yy Y Y' 7r tribord >o 2 G 1 >o 2 Y = 2 + Y' Gy 1 Y = 2 -Y' bâbord Selon une autre caractéristique il est adapté pour être installé dans une antenne linéaire acoustique remorquée. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante, présentée à titre d'exemple non limitatif en regard des figures annexées qui représentent - les figures 1 à 4, des schémas permettant de définir les différents angles utilisés dans la suite de l'exposé; - la figure 5, un schéma de positionnement des différents organes d'un dispositif selon l'invention; - la figure 6, le diagramme d'un système permettant d'obtenir les paramètres souhaités à partir des mesures fournies les organes de la figure 5; et - la figure 7, un exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention placé dans une antenne acoustique linéaire remorquée. Comme représenté sur la figure 1, l'objet muni du capteur selon l'invention est lié, pour les calculs qui vont suivre, à un repère orthonormé OXYZ. Dans les mouvements de l'objet, le repère orthonormé se déplace par rapport au repère terrestre, qui est déterminé par le champ de pesanteur représenté un vecteur OG correspondant à la verticale locale, et le champ magnétique représenté par un vecteur ON qui donne la direction nord compte tenu de la déclinaison, que l'on sait corriger par ailleurs. Le vecteur OG détermine un plan horizontal P représenté sur figures 2 à 4. La projection de la direction ON sur ce plan détermine direction ON' et la projection de l'axe OX sur le même plan détermine une direction OX. L'angle P' entre ces deux directions ON' et OX permet de déterminer cap @ par les égalités [3 = (3' ou g = 2 n selon les circonstances qui seront précisées plus loin dans ce texte. Comme représenté sur la figure 3, l'angle a' entre la direction OG et la direction OX permet de déterminer le tangage par la relation a = a'- Enfin, comme représenté sur la figure 4, l'angle Y entre la direction OG et la direction OY permet de déterminer l'angle de roulis par la relation y=y-7c/2. Pour obtenir ces paramètres, propose de disposer sur les axes OXYZ, comme représenté sur la figure 5, respectivement trois sondes accélérométriques 501 à 503 et trois sondes magnétiques 511 à 513. Les sondes magnétiques permettent d'obtenir les composantes Nx Ny et Nz du champ magnétique local N. Les sondes accélérométriques quant à elle permettent d'obtenir les composantes Gx Gy et Gz du champ pesanteur local G. Les signaux délivrés par ces sondes sont numérisés, puis traités dans un microprocesseur selon un procédé illustré par l'organigramme de la figure 6, afin d'obtenir les angles a p et y. Le calcul des angles y est effectué uniquement à partir des signaux des sondes accélérométriques alors que le calcul de l'angle P nécessite l'intervention supplémentaire des signaux délivrés par les sondes magnétiques. Les mesures sont obtenues dans un module 601. Pour calculer a, on utilise un module 602 de calcul du module de G, et un module de division qui donne a. Pour cela on utilise la méthode suivante Comme GX X . G, si a' est l'angle entre X et G , on a Le calcul de y s'effectue à l'aide du module 602, d'un module 604 de division d'un module 605 de test. La méthode de calcul utilisée est la suivante Comme Gy = Y . G (4) si y est l'angle entre Y et G, on a II y a 4 valeurs possibles de y suivant le quadrant dans lequel on se trouve. Pour lever l'ambiguïté, on teste les signes de et GZ selon le tableau suivant G _ _31c _ , Y - Y G , ic tribord G,>0 G>01 Y -Y 2 Gy >0 Gy >0 bâbord G,>01 Y =2 +Y G, Y =2 -Y Ce tableau est valable pour (bâbord ou tribord). Suivant une variante, on prend à tribord y = y'+ic si GZ > 0 y=@c-y'siGZ N' étant la projection de N sur le plan P perpendiculaire à G comme representé sur la figure 2, on en déduit les 2 équations vectorielles suivantes -l1!) nG=Ô (7) G = 0 (8) Le produit scalaire correspondant s'écrit alors N'XGX+N'yGy+N'ZGZ=0 (9) produit vectoriel quant à lui se développe sur les 3 égalités suivantes - Ny).Gz -(N'z- NZ).Gy Nz).Gx-(N'x- NX).GZ (11) - Nx).Gy -(N'y- Ny).Gx =0 (12) En exprimant N'y et N'Z en fonction de N'X, à partir des 2 dernières égalités précédentes et en reportant dans le produit scalaire on obtient la valeur de N'x , puis par permutation circulaire celles de N'" et Ces calculs sont effectués dans un module 607. On calcule alors dans un module 608, à partir valeurs, le module de N' par la formule X étant la projection de X sur le plan P, comme representé sur la figure 3, on obtient de manière analogue à N' X'.G = 0 (17) et (X'-X) nG=0 (18) avec XX = 1, Xy = 0 et X,=0 obtient alors Les calculs correspondants sont effectués dans un module 609. On calcule alors dans un module 610 module de X par la formule On s'assure que ce module est différent 0. En effet dans le cas contraire le capteur serait vertical et le cap indéfini. Si IIXll est différent de 0, on calcule alors dans un module 611 la valeur de P', angle entre N' et X' , en effectuant produit scalaire N' et X' par la formule Pour obtenir P, il faut lever l'ambiguïté , Ouest. Pour cela on calcule dans un module 612 le produit (X'nN' ).G = S Pour cela on applique la formule S=GX(X'yN'Z-N'yX'y)+Gy(X'ZN'X-X'XN'z)+G N'y-N'XX'y) (24) Ceci permet d'effectuer dans un module un test sur la valeur de S pour obtenir P de la manière suivante Si S > 0, @3 21r - f3' (25) Si S Celle-ci est formée classiquement d'un tube creux souple dont le diamètre est de l'ordre de 40 mm. Sur l'axe 702 de ce tube on a fixé, par des moyens non représentés, un accéléromètre 703 comprenant trois sondes accélèrométriques dont les axes de mesure sont orthogonaux, l'un de ceux ci étant positionné sur l'axe d'alignement 702. Cet accéléromètre permet d'obtenir les signaux GX,Gy et GZ. On a également positionné au centre de ce tuyau, par des moyens des fixations là aussi non représentés, un capteur magnétique trois axes 704, comprenant par exemple trois sondes magnéto-résistives en couche mince dont les axes de mesure sont orthogonaux et alignés sur les trois axes de mesures des accéléromètres du dispositif 703. A titre d'exemple on peut utiliser un capteur du commerce commercialisé par la société Honywell sous la référence 2003. Bien que les sondes ne soient pas localisés au même point, obtient ainsi une base vectorielle orthonormée si l'on respecte l'alignement des axes des six capteurs pris deux par deux et si l'on apparie ces sondes pour avoir la même sensibilité. Ces deux conditions sont réalisables relativement facilement avec les techniques connues dans l'art. signaux sont conditionnés de manière connue dans l'art dans des circuits implantés sur une plaquette de circuit imprimé , dont les dimensions peuvent être par exemple de 25 x 12 mm. Les signaux Gx, GY, GZ, NX , et NZ ainsi obtenus sont ensuite compensés en fonction de la température dans un dispositif 706, connu en lui-même, a partir des indications fournies par une sonde de température 707. Ces signaux sont alors numérisés puis traités dans un dispositif de calcul 708 qui permet d'obtenir les mesures #,P et y de la manière décrite plus haute en relation avec la figure Compte tenu des possibilités offertes par la micro électronique, on pourra avantageusement rassembler les dispositifs de compensation et de calcul 706 et sur la plaquette de circuit imprimé 705. REVENDICATIONS - Dispositif de mesure d'assiette et de cap, caracterisé en ce qu'il comprend trois sondes accélérométriques (703) alignés des axes orthogonaux (OX,Y,Z), trois sondes magnétométriques (704) placées à proximité sondes accélérornétriques et alignées sur des axes parallèles aux dits axes orthogonaux, et des moyens de calcul (708) pour obtenir à partir des signaux GX, Gy, GZ de mesure des sondes accélérométriques et des signaux Ny, NZ de mesure des sondes magnétométriques les angles de cap P, tangage a et de roulis y définissant le cap et l'assiette de ce dispositif. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (602) pour obtenir le module du vecteur d'accélération G avec IIGIIZ GX + Gy +GZ , des moyens (607) pour obtenir par les formules les composantes du vecteur N' correspondant à la projection du vecteur N donnant le champ magnétique local sur un plan P perpendiculaire au vecteur G des moyens (609) pour obtenir par les formules les composantes de l'axe X' projection de l'axe X sur le plan moyens (608) pour déterminer par la formule module du vecteur N', des moyens (610) pour déterminer par la formule module du vecteur X, des moyens (611) pour obtenir par la formule une valeur ambiguë P' de l'angle de cap (i, des moyens (612) pour obtenir par la formule S = GX(X-y N'z-N'y xiy) +Gy(X'z N'X-XX Mz) +Gz(X'X My-NX X'y ) un terme S permettant de lever l'ambiguïté sur (3' et des moyens (613) pour Si S>0, @i=2n-/3' déterminer par les formules Si S P =P, valeur de (3, selon que le terme S est respectivement positif ou négatif . 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce comprend des moyens (603) pour déterminerpar les formules angle a' et pour déterminer l'angle de tangage a par la formule a = a'-n/2, des moyens (604) pour déterminer par la formule un angle 1 , et des moyens de test (605) pour déterminer à partir des valeurs de Gy et Gz l'angle de roulis y par 37c G 7r tribord >0 Y = 2 -Y G,>01 Y >0 1 Y = # +YGy 1 Y = r -7' bâbord 2 Z 2 4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est adapté (703-708) pour être installé dans une antenne linéaire acoustique remorquée (701).