Brevet FR2816702A1 — publié le 20020517

DISPOSITIF DE STABILISATION DE PLATE-FORME AUTOUR D'UN AXE, UTILISANT UN DETECTEUR A RESONATEUR VIBRANT La présente invention concerne les dispositifs de stabilisation de plate-forme autour d'un axe, comprenant, comme détecteur, un résonateur isotrope en fréquence porté par la plate forme et dont l'axe sensible est aligné avec l'axe de la plate-forme et une boucle d'asservissement commandant un moteur de rappel vers une position de référence fournie par le résonateur ; le résonateur a un ou des transducteurs de mise en vibration et des capteurs pour mesurer l'élongation du résonateur dans au moins deux directions particulières. Le résonateur peut être de révolution et en forme de disque, de bol, de cylindre, ou d'anneau et, d'une façon générale, isotrope en fréquence. Il peut également être constitué par un jeu de quatre poutres parallèles identiques solidaires d'un même pied (brevets FR 92 07032 ou US 5 597 955). Habituellement, la boucle d'asservissement comporte des circuits fournissant une information de vitesse angulaire. Des circuits de ce type sont décrits notamment dans les brevets déjà mentionnés ou le brevet français 96 13344, auxquels on pourra se reporter, de sorte qu'il suffira de donner une description sommaire des composants habituels et de leur fonction. Un dispositif connu peut être schématisé comme indiqué sur la figure 1. Le résonateur mécanique 10, représenté sous forme de disque mais qui peut être d'un quelconque des types mentionnés plus haut, est associé à des transducteurs d'excitation E1 et E2 destinés à créer une onde stationnaire axisymétrique d'amplitude constante. Deux capteurs D1 et D2 permettent de mesurer l'élongation du résonateur dans au moins deux directions particulières, orthogonales dans le plan des modes et représentées comme orthogonales sur la figure 1. L'énergie nécessaire à l'entretien de la vibration est fournie au transducteur E1 par un oscillateur 12 à régulation d'amplitude par comparaison de la sortie du capteur D1 avec une consigne A. L'oscillateur s'adapte à une fréquence propre de résonateur et sera généralement constitué pour que la vibration s'effectue sur le mode le plus bas possible. Classiquement, le dispositif de stabilisation comporte également une boucle gyrométrique qui fournit un signal représentatif de la vitesse angulaire du résonateur autour de son axe X. Le signal de sortie du second détecteur D2 est appliqué à deux voies. La première voie, ou voie en phase, comporte un multiplieur de démodulation 14a qui fournit le produit de la sortie de D2 et d'un signal de référence (p en phase avec la vibration, provenant de l'oscillateur 12. Ce multiplieur est suivi d'un réseau correcteur 16a qui assure un filtrage et une amplification avant une multiplication de remodulation en 18a. Une seconde branche effectue les mêmes opérations en 14b, 16b, 18b, mais en utilisant le signal Q en quadrature fourni par l'oscillateur. Les sorties des deux branches sont additionnées dans un sommateur 20. Le signal résultant alimente le transducteur E2. Le signal représentatif de la vitesse angulaire estimée Q est prélevé en aval du réseau correcteur 16a. Il est généralement appliqué à un filtre 24 dont la sortie constitue une mesure de la vitesse Q. Le dispositif de stabilisation angulaire d'une plate-forme autour de l'axe X du détecteur porté par la plate-forme comporte un servo-mécanisme ayant un réseau correcteur 24, un intégrateur 26 et un moteur de rappel 27 entraînant la plate-forme. La fonction de transfert peut s'écrire Kelp, où K est une fonction de transfert dont le gain dépend du moteur et de l'amplificateur du servo-mécanisme et qui comprend éventuellement un pseudo intégrateur et où p est la transformée de Laplace et 1 l'inertie de l'axe stabilisé. Eventuellement un biais peut être introduit en amont de l'intégrateur, par un additionneur 25. Cette constitution présente des inconvénients. Elle utilise l'équivalent de deux servo-mécanismes placés en série (la boucle de Coriolis et l'attaque du moteur) et en conséquence cumule les limitations de chacun d'eux. La bande passante est influencée de façon défavorable par la diaphonie entre éléments moteurs et détecteurs, par l'apparition de modes résonants indésirables s'ajoutant au mode recherché et par l'adjonction d'une fonction de transfert dans la boucle gyrométrique, mettant en oeuvre l'accélération de Coriolis. Ces inconvénients deviennent prépondérants lorsque la bande passante du dispositif de stabilisation doit dépasser le tiers de la bande passante de la boucle gyrométrique réalisable. La présente invention vise à fournir un dispositif de stabilisation angulaire répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il écarte dans une large mesure les inconvénients ci-dessus. La présente invention permet aussi de dépasser les bandes passantes réalisables par l'utilisation de gyroscopes à toupie où la limitation provient des signaux parasites générés par les pièces tournantes. Ainsi, la présente invention permet d'obtenir des performances Inaccessibles par les moyens antérieurs et en utilisant des gyroscopes vibrants sans pièces d'usure plus fiables que les gyroscopes à toupie et sans signal parasite en basse fréquence. Dans ce but, l'invention propose notamment un dispositif du genre ci-dessus défini ayant une boucle d'excitation comprenant un oscillateur recevant un signai d'entrée provenant d'au moins un capteur et alimentant au moins un transducteur, ayant une boucle de contrôle de la quadrature recevant un signal d'entrée provenant d'au moins un capteur et alimentant au moins un transducteur et ayant une boucle d'asservissement qui comporte : - d'une part une voie d'asservissement du moteur de rappel de l'axe, recevant le signal démodulé en phase avec l'oscillateur provenant d'au moins un autre capteur pour fournir un signal de commande du moteur, et effectuant une double intégration avec le gain 1/1 où 1 est l'inertie de l'axe, - d'autre part, une voie de commande de précession destinée à recevoir un signal externe de précession, à le moduler à la fréquence de l'oscillateur et à l'appliquer à au moins un autre transducteur. Un tel dispositif fait fonctionner le résonateur en mode gyroscope à débattement angulaire limité, constituant une référence angulaire inertielle permettant d'asservir la plateforme en position par rapport à la vibration et de faire précessionner le plan de vibration. En effet, la commande de Coriolis entrant dans le modulateur 18a dans le cas de la figure 1, devient une entrée de précession provoquant, par recopie, la rotation du plan de vibration de référence autour de l'axe 1. Ce dispositif est plus simple qu'une mise en oeuvre en mode gyroscope à débattement angulaire illimité dont on trouvera une description dans le brevet FR 96 13344. En particulier, le débattement limité autorise une exploitation analogique du signal évitant les bruits propres aux signaux numériques et, du fait d'une étendue de mesure très faible, autorise une résolution angulaire élevée. Le dispositif peut être utilisé dans un système multiaxe. Des moyens de commutation peuvent être prévus pour permettre de faire fonctionner à volonté le dispositif soit en mode gyromètre, soit en mode gyroscope. Les boucles peuvent avoir une constitution purement analogique, ou hybride, surtout dans le cas où un fonctionnement en temps partagé peut être prévu, faisant alterner la détection et la commande. Les caractéristiques ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit des modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemple non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels : - la figure 1, déjà mentionnée, est un schéma d'un dispositif de type connu, avec fonctionnement en mode gyromètre ; - la figure 2, similaire à une fraction de la figure 1, est un schéma des parties du dispositif modifiées pour un fonctionnement en mode gyroscope ; - la figure 3 montre une implémentation possible du schéma de la figure 2, autorisant un fonctionnement en gyromètre ou en gyroscope ; et - la figure 4 montre par exemple l'incorporation du dispositif dans un autodirecteur ou un viseur. Le dispositif utilisant l'invention qui va maintenant être décrit présente avec celui de la figure 1 des parties communes, qui ne sont pas représentées de nouveau. Tel qu'il est schématisé sur la figure 2, la boucle de Coriolis est ouverte. Le signal démodulé en phase provenant du réseau correcteur 16a, c'est-à-dire de la première fraction de la boucle, est appliqué au moteur 27 par l'intermédiaire d'un amplificateur de courant non représenté sur la figure 2. La fonction de transfert de l'ensemble du moteur 27 et de l'axe est de la forme K/lp2, où 1 est le moment d'inertie et K un gain dépendant du moteur et de l'amplificateur de puissance. La fraction finale de la branche coupée reçoit le signal de commande de précession permettant de faire tourner le plan de vibration du résonateur et de provoquer l'apparition d'un signal de détection qui provoque à son tour la commande des moteurs. Le dispositif dont le principe est montré en figure 2 peut être implémenté sous la forme schématisée en figure 3. La fraction initiale de la boucle comporte deux réseaux en cascade 32 et 34. Le premier réseau est un pseudo intégrateur destiné à annuler les erreurs d'asservissement en basse fréquence, le deuxième réseau est un dérivateur destiné à générer la marge de phase nécessaire à la stabilité du système. La sortie du réseau 34 est appliquée, par l'intermédiaire d'un soustracteur 36, à un amplificateur de courant 38 fournissant la puissance nécessaire au fonctionnement des moteurs. Le soustracteur reçoit du moteur 27 un signal de contre-réaction permettant une régulation. La partie finale de la boucle montrée en figure 3 comporte un commutateur d'entrée 40 qui, dans une position, provoque un fonctionnement de type gyrométrique. Le signal d'entrée est alors celui qui sort du réseau 16a. Dans l'autre position, le commutateur d'entrée 40 reçoit une commande externe de précession. Le signal d'entrée peut être filtré par un réseau 42 avant d'être appliqué au multiplieur de remodulation 18a. Une deuxième lame do commutateur 40 est placée après le réseau 34 pour contrôler le moteur de l'axe à partir d'un capteur angulaire potentiométrique par exemple. Un signal représentatif de la précession corrigée peut être prélevé en aval de l'additionneur 20 par un démodulateur filtre 44 à la sortie duquel est ajouté éventuellement un biais par l'intermédiaire d'un additionneur 46. Le fonctionnement en gyromètre peut être notamment utile dans deux cas, lors du démarrage du système (phase dite de ralliement) et lors d'un calibrage. Le dispositif peut notamment être incorporé à un auto-directeur d'engin ou à un viseur par exemple pouvant avoir la constitution générale montrée en figure 4. Cet ensemble comporte un écartomètre 48 fournissant un signal de sortie représentatif de l'écart avec une orientation de consigne. Ce signal est adapté au fonctionnement du dispositif avec un organe de calcul 50 qui, lorsque le système est au moins partiellement numérique, peut être un microprocesseur. L'ordre de précession, éventuellement mis sous forme analogique par un convertisseur 52 est appliqué à un bloc électronique 54 qui regroupe les éléments 12 à 18 des figures 1 et 2. L'écart gyroscopique 56 parvient à l'ensemble 58 fourni par le bloc 54 pour regrouper les réseaux 32 et 34 et l'amplificateur de courant 38 de la figure 3. Cet ensemble actionne le moteur 27 et permet de maintenir la plate-forme dans une orientation déterminée dans l'espace. Des fonctions d'adaptation peuvent être remplies par une électronique 60 placée à proximité immédiate du résonateur, par exemple la préamplification des signaux de détection. Enfin un bloc d'alimentation 62 est prévu pour fournir l'énergie nécessaire au fonctionnement. REVENDICATIONS 1. Dispositif de stabilisation de plate-forme autour d'un axe, comprenant, comme détecteur, un résonateur vibrant isotrope en fréquence (10) porté par la plate forme et dont l'axe sensible est aligné avec l'axe de la plate-forme et une boucle d'asservissement commandant un moteur de rappel vers une position de référence fournie par le résonateur, ce résonateur ayant un ou des transducteurs de mise en vibration et des capteurs pour mesurer l'élongation du résonateur dans au moins deux directions particulières, caractérisé en ce qu'il a une boucle d'excitation comprenant un oscillateur (12) recevant un signal d'entrée provenant d'au moins un capteur (D1) et alimentant au moins un transducteur (E1), en ce qu'il a une boucle de contrôle de la quadrature recevant un signal d'entrée provenant d'au moins un capteur (D2) et alimentant au moins un transducteur (E2), et en ce qu'il a une boucle d'asservissement qui comporte : - d'une part une voie d'asservissement du moteur de rappel, recevant le signal démodulé en phase avec l'oscillateur provenant d'un autre capteur (D2) pour fournir un signal de commande du moteur (27), effectuant une double intégration par l'inertie de l'axe, - d'autre part, une voie de commande de précession réalisée en recevant un signal externe de commande de précession en le modulant et en alimentant au moins un transducteur (E2). 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la dite voie d'asservissement comprend deux réseaux successifs (32, 34) et un soustracteur (36) et un amplificateur de courant commandant le moteur (27) à partir d'un signal provenant du soustracteur. 3. Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la voie de commande de précession et la voie de commande du moteur comprennent un commutateur permettant de faire fonctionner à volonté le dispositif en mode gyromètre ou en mode gyroscope. 4. Dispositif suivant les revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il est utilisé dans un système multiaxe.