Brevet FR2920224A1 — publié le 20090227

La présente invention concerne un procédé de détermination d'une vitesse de rotation d'un capteur vibrant axisymétrique, et un dispositif inertiel correspondant comportant un capteur vibrant axisymétrique. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION On sait que pour déterminer l'orientation d'un porteur, en particulier pour assurer la navigation d'un avion, il est possible d'utiliser un dispositif inertiel comportant un ou plusieurs capteurs vibrants axisymétri- ques utilisant un résonateur possédant une symétrie d'ordre égal ou supérieur à quatre et mettant en oeuvre deux modes de vibration dégénérés, identiques et orthogonaux, dont la déformée possède une périodicité d'ordre n par rapport à l'axe de symétrie, c'est-à-dire une déformée comportant n fois la même figure de vibration sur un tour autour de l'axe de symétrie. En particulier, il est connu d'utiliser des capteurs d'ordre deux tels que des capteurs vibrants à cloche hémisphérique comportant un nombre approprié d'électrodes, ou des quapasons pour les- quels les orientations de vibration des deux modes ne sont pas géométriquement orthogonales mais sont modale-ment orthogonales, c'est-à-dire modalement décalées de n. On sait également qu'un capteur vibrant axisymétrique est adapté à fonctionner en mode gyroscopique ou en mode gyrométrique. Dans le mode gyroscopique la vibration est entretenue mais sa position est laissée libre; lorsque l'orientation du porteur évolue, la position de la vibration par rapport à l'embase est représentative de l'angle dont le porteur a tourné. Dans le mode gyrométrique, la vibration est entretenue et sa position par rapport à son embase est maintenue fixe par l'envoi d'une commande électronique appropriée; la valeur de cette commande est alors représentative de la vitesse de rotation du porteur dans l'es- pace inertiel. 2 On sait également que les gyroscopes vibrants présentent une erreur de dérive qui se traduit lorsque le gyroscope fonctionne en mode gyroscopique par une variation de la position de la vibration même lorsque le por- teur n'est soumis à aucune rotation. Cette dérive comporte deux composants, un composant constant qui, dans le cas d'un gyroscope résonant hémisphérique, est de l'ordre de quelques centièmes de degrés par heure, et un composant appelé dérive alternative qui est composé d'harmoni- quel, principalement d'un harmonique du même ordre n que le capteur vibrant et d'un harmonique d'ordre double de celui du capteur vibrant dépendant de la position de la vibration. Dans le cas d'un gyroscope résonant hémisphérique, l'harmonique d'ordre n engendre une erreur de dé- rive de l'ordre de un degré par heure et l'harmonique d'ordre 2n engendre une erreur de dérive de l'ordre de un dixième de degré par heure. Il est connu d'effectuer un étalonnage des gyroscopes en atelier et d'établir des tables de correction qui peuvent être appliquées lors de l'utilisation du gyroscope. Toutefois, l'erreur de dérive est non seulement fonction de la position de la vibration mais également de la température ambiante et du vieillissement du gyroscope. En pratique les possibilités de correction sont donc limitées. OBJET DE L'INVENTION Un but de l'invention est de déterminer la vitesse de rotation d'un capteur vibrant axisymétrique en minimisant l'erreur de dérive. RESUME DE L'INVENTION En vue de la réalisation de ce but, on propose selon l'invention un procédé de détermination d'une vi- tesse de rotation d'un capteur vibrant axisymétrique com- portant un organe vibrant associé à des électrodes de commande et des électrodes de détection pour générer et détecter une vibration ayant une déformée possédant une périodicité d'ordre n et ayant une position variable en fonction d'une rotation du capteur, le procédé comportant les étapes . - d'effectuer une première évaluation de la vitesse de rotation alors que la vibration se trouve dans une première position par rapport aux électrodes, - d'appliquer une commande de précession en utilisant un facteur d'échelle préétabli jusqu'à ce que la vibration atteigne une deuxième position géométriquement décalée de ît/n par rapport à la première position, - d'effectuer une deuxième estimation de la vitesse de rotation alors que la vibration se trouve dans la deuxième position, - et d'effectuer une moyenne des évaluations de vitesse de rotation dans la première position et dans la seconde position de la vibration. On supprime ainsi les effets de l'harmonique d'ordre n. En effet l'erreur résultant de l'harmonique d'ordre n est liée à l'amplitude de cette harmonique. Pour deux positions de la vibration décalée de n/n, l'harmonique d'ordre n a une amplitude de même valeur absolue mais de signes opposés de sorte qu'en effectuant une moyenne des évaluations selon deux positions géomé- triquement décalées de n/n, le décalage modal est de n, de sorte que les amplitudes de l'erreur due à l'harmonique d'ordre n s'éliminent. L'erreur de dérive est donc minimisée quels que soient la température et le degré de vieillissement du capteur. Selon un aspect avantageux de l'invention, le procédé comporte en outre les étapes : - d'appliquer une commande de précession pour amener successivement la vibration dans des positions géométriquement décalées de nt/2n et de 3n/2n par rapport à la première position, - d'effectuer des évaluations de la vitesse de rotation pour chaque position de la vibration, - et d'effectuer une moyenne de l'ensemble des évaluations de vitesse de rotation obtenues. Ainsi, on élimine non seulement les effets de l'harmonique d'ordre n, mais également ceux de l'harmonique d'ordre 2n. En effet, entre une position géométrique-ment décalée de n/2n et une position géométriquement dé-calée de 3n/2n, le décalage modal est de n de sorte que l'harmonique d'ordre n se trouve éliminé de la même façon que précédemment. En outre, pour la position initiale et la position géométriquement décalée de na l'harmonique d'ordre 2n engendre une erreur de dérive de même amplitude et de même signe mais pour les positions géométri- quement décalées de n/2n et de 3n/2n, l'harmonique d'ordre 2n engendre des erreurs de dérive de même amplitude et de signe opposé à l'erreur de dérive de la position initiale. En effectuant une moyenne des quatre évaluations on élimine donc l'erreur due à l'harmonique d'ordre 2n. Le défaut de dérive résiduel est ainsi faible et dû au composant constant ainsi qu'aux harmoniques de rang élevés qui pourraient être éliminées en poursuivant la méthode précédemment décrite mais dont l'amplitude faible ne le nécessite pas a priori. Ce défaut pourra alors être compensé lors de la calibration initiale du dispositif et seules les évolutions d'une valeur initialement faible et compensée viendront perturber la mesure de vitesse de rotation du dispositif. Les défauts de linéarité générés par les codeurs électroniques utilisés pour la mesure de la position angulaire de la vibration étant maximaux pour des valeurs d'entrée nulles, on choisira les angles servant à la me-sure de la vitesse de rotation en évitant les valeurs nulles de sortie des électrodes de détection (signaux d'entrée des codeurs angulaires). Dans le cas particulier du gyroscope vibrant hémisphérique utilisé avec une déformée d'ordre deux, 5 c'est-à-dire n=2, les positions angulaires utilisées pour éliminer les harmoniques de rang deux et quatre seront donc 80, 02=00+90 , 01=00+45 et 03=00+135 . Il convient par ailleurs de remarquer que l'invention décrite attribue par principe l'écart de mesure de vitesse de rotation entre les diverses positions de la vibration à la dérive harmonique du résonateur : il est donc nécessaire que la vitesse de rotation appliquée au capteur soit constante pendant l'ensemble des mesures, faute de quoi l'annulation des termes harmoniques de dé- rive ne pourra pas être réalisée. En fait, la contrainte réelle est de connaître l'écart de vitesse de rotation entre les périodes de temps correspondant aux mesures, la vitesse constante n'étant que le cas particulier où cet écart est nul. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'un mode de mise en oeuvre particulier non limitatif de l'invention en référence aux figures ci-jointes parmi lesquelles : - la figure 1 est une vue en coupe axiale schéma-tique selon la ligne I-I de la figure 2 d'un capteur vibrant à cloche hémisphérique, - la figure 2 est une vue en coupe selon la ligne II-II de la figure 1, - la figure 3 est un schéma par blocs illustrant un exemple de mise en oeuvre du procédé de l'invention et de ses différentes applications, - la figure 4 est un schéma illustrant l'ampli- tude de l'harmonique d'ordre deux et de l'harmonique d'ordre quatre en fonction de la position de la vibration par rapport à une électrode de référence, - la figure 5 est une représentation schématique du globe terrestre et d'un capteur vibrant illustrant l'application de l'invention pour la recherche du nord. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En référence aux figures 1 et 2, le dispositif inertiel selon l'invention est illustré avec un capteur vibrant avec une déformée d'ordre deux. Le dispositif comporte un capteur vibrant 7 à cloche hémisphérique comprenant de façon connue en soi une cloche en silice 1 montée sur une embase 2 également en silice, la cloche 1 étant entourée d'un boîtier étanche 3 permettant de mettre le capteur sous vide. Egalement de façon connue en soi, la surface in-terne de la cloche 1 est métallisée ainsi que son bord inférieur et celui-ci s'étend en regard de deux paires d'électrodes de commande 4 et de deux paires d'électrodes de détection 5 convenablement reliées à une unité de corn- mande et de détection 6 pour générer une vibration 11 il-lustrée par un trait mixte sur la figure 2 et dont la position est repérée par un angle 0 par rapport à une électrode de référence 5. La position de la vibration 11 est commandée par l'unité de commande 6 en appliquant aux électrodes de commande 4 une commande de précession. En référence à la figure 3, le mode de mise en œuvre préféré du procédé selon l'invention comporte une première étape 8 de positionnement de la vibration dans une première position 00. Pour la première position 00 de la vibration, le procédé comporte une étape 9 d'évaluation de la vitesse de rotation du capteur. Cette évaluation de la vitesse de rotation est effectuée en utilisant de façon connue en soi le gyroscope selon un mode gyroscopique, ou selon un mode gyrométrique. Dans le cas d'un mode gyroscopique, une série de mesures de la position de la vibration est effectuée dans un temps bref pendant lequel le déplacement de la vibration est faible par rapport à la période des harmoniques d'ordre deux et d'ordre quatre. En particulier, dans l'application où le procédé est mis en oeuvre pour la recherche du nord, le gyroscope est de préférence immobile par rapport à la surface terrestre, de sorte que la vitesse de rotation maximale du gyroscope est celle de la rotation terrestre, c'est-à-dire une vitesse de rotation de 15 /h. Pour une mesure de la vitesse de rotation du capteur effectuée en mode gyroscopique pendant dix secondes, la variation de position de la vibration est donc totalement négligeable. Pour éviter toute variation de position de la vibration et pour permettre d'éviter des erreurs dues au défaut de codage de la position de la vibration, il est préférable, pour des faibles vitesses de rotation, d'effectuer une évaluation en mode gyrométrique bien que le facteur d'échelle soit moins précis que dans le mode gy- roscopique. Il est ensuite procédé à une étape de modification 10 de la position de la vibration en appliquant une commande de précession aux électrodes de commande 4, puis à une évaluation 13 de la vitesse de rotation du capteur dans la position modifiée. Dans le mode de mise en œuvre préféré, la vibration est placée dans trois positions 14 modifiées el, 82 et 83 respectivement décalées géométriquement de la position initiale 80 pour être positionnée selon des angles ei=e0+in/2n où i est un entier compris entre 1 et 3, soit pour n=2 des décalages de 45 , 90 et 135 . Une moyenne 15 est ensuite réalisée entre les différentes évaluations de vitesse de rotation du cap-35 teur. Comme illustré par la figure 4, l'amplitude A22 de 8 l'harmonique d'ordre 2 pour la position 02 décalée de 90 par rapport à la position initiale 00 est égale en valeur absolue et de signe opposé à l'amplitude A20 de l'harmonique d'ordre deux dans la position 00. De même, l'amplitude A23 de l'harmonique d'ordre deux pour la position 84 de la vibration est de même va-leur mais de signe opposé à l'amplitude A21 de l'harmonique d'ordre deux pour la position 01. Lors de l'établissement de la moyenne, les erreurs de dérive dues à l'har- monique deux s'annulent donc deux à deux. En ce qui concerne l'harmonique d'ordre quatre, les amplitude A41 et A43 pour les positions selon les angles 01 et 03 sont de même valeur et de signe opposé aux amplitudes A40 et A42 pour les positions de la vibration aux angles 80 et 02. Lors de l'établissement de la moyenne ces quatre valeurs se compensent. La position initiale est choisie compte tenu des positions décalées pour que dans chacune des positions le signal de détection correspondant ait une valeur non nulle pour des raisons de qualité de conversion du signal analogique fourni par les électrodes de détection 5 en un signal numérique. A titre d'exemple, pour une dynamique de précession de 5 /s, il faut compter environ dix secondes pour modifier la position de la vibration de 45 . Il faut compter en outre une quinzaine de secondes pour effectuer l'évaluation de la vitesse de rotation pour une position donnée. Dans le cas d'une évaluation dans quatre positions, il faut donc compter un temps d'évaluation total de l'ordre de cent secondes. Ce temps peut être réduit au dépend d'une légère perte de précision en effectuant une évaluation pour deux positions seulement, une première évaluation correspondant à la première position 00 et une deuxième évaluation correspondant à la deuxième position 02 décalée de 90 par rapport à la première position. Dans ce cas, l'erreur due à l'harmonique d'ordre deux est éliminée tandis que l'erreur due à l'harmonique d'ordre quatre est maintenue. Il faut toutefois noter à ce propos que contrairement à la représentation qui est faite sur la figure 4 sur laquelle l'harmonique d'ordre quatre a volontairement été exagérée pour une meilleure compréhension, l'harmonique d'ordre quatre a une amplitude beau-coup plus faible que l'harmonique d'ordre deux. Pour un gyroscope résonant hémisphérique, l'harmonique d'ordre deux induit généralement une dérive de l'ordre de un de-gré par heure tandis que l'harmonique d'ordre quatre in-duit une dérive de l'ordre de un dixième de degré par heure. On notera à ce propos que les amplitudes des har- moniques d'ordre deux et d'ordre quatre ne se compensent directement qu'à condition que la vitesse de rotation du gyroscope soit constante pendant la durée des mesures servant à l'évaluation de la vitesse de rotation. Lorsque la vitesse de rotation du gyroscope n'est pas constante il reste néanmoins possible de tirer profit de l'invention. Dans ce cas il suffit de disposer d'un moyen pour effectuer une mesure 18 des variations de la vitesse de rotation et d'effectuer une déduction algébrique de ces variations de l'évaluation de vitesse de rota- tion qui est faite dans chaque position. Ces étapes sont par exemple mises en oeuvre par un gyroscope à écart 19 relié à l'unité de commande et de détection 6 en parallèle au capteur vibrant 7. Le gyroscope à écart 19 pré-sente une mauvaise précision pour une mesure absolue de la vitesse mais une bonne précision pour mesurer des écarts sur un temps très court. Le gyroscope à écart 19 est de préférence mis en oeuvre en faisant une intégration des variations mesurées sur les mêmes périodes de temps qu'une intégration de la 35 vitesse de rotation mesurée avec le capteur vibrant. La moyenne donnant l'évaluation finale de la vitesse de rotation est alors obtenue très simplement en faisant la somme des intégrales et en divisant par le temps total des mesures de la vitesse de rotation. Le procédé selon l'invention permet en particulier d'améliorer la mise en oeuvre des applications utilisant une évaluation d'une vitesse de rotation constante, en particulier la recherche du Nord ou un alignement par rapport à un élément de référence. Les figures 3 et 5 illustrent une application à la recherche du Nord lorsque le dispositif inertiel contenant le capteur vibrant 1 est immobile par rapport au globe terrestre 16. Compte tenu de la rotation de la terre autour de l'axe Nord-Sud, un capteur vibrant 1 dont l'axe de symétrie s'étend parallèlement à une tangente au parallèle 17 passant par le capteur, c'est-à-dire selon une direction Est-Ouest, ne perçoit aucune rotation. A partir d'une orientation pour laquelle le capteur est soumis à une vitesse de rotation non nulle, le procédé mettant en oeuvre cette application comprend de façon connue en soi une étape de comparaison 20 de la vitesse de rotation du capteur avec la vitesse de rotation de l'élément de référence, c'est-à-dire la rotation du globe terrestre dans le cas d'un porteur au sol, et une étape 21 de détermination de l'orientation du capteur par application de formules trigonométriques donnant la composante de rotation du capteur vibrant en fonction de son orientation. La précision d'évaluation de la vitesse de rotation obtenue avec le procédé selon l'invention permet de mettre en oeuvre cette application avec une précision améliorée pour la détermination du Nord. Afin d'obtenir la meilleure précision de la détermination du Nord l'axe de symétrie du gyroscope est de préférence placé approximativement selon une direction Est-Ouest. Dans le cas d'un alignement du dispositif iner- tiel avant une navigation, le dispositif inertiel comprend de préférence trois capteurs vibrants dont les axes sont disposés selon des directions orthogonales. Selon encore un autre aspect de l'invention, la modification de la position de la vibration pour l'évaluation de la vitesse de rotation donne l'occasion d'effectuer une comparaison 22 entre la commande de précession et la variation de la position de la vibration et d'effectuer un calcul 23 du facteur d'échelle actualisé qui peut immédiatement servir à l'évaluation de la vitesse de rotation du capteur vibrant. Les différentes étapes du procédé de l'invention sont de préférence mises en oeuvre par des logiciels intégrés à l'unité de commande 6 qui forme un dispositif inertiel avec le capteur vibrant. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de mise en oeuvre décrits et est susceptible de va-riantes de réalisation qui apparaîtront à l'homme du métier sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications. En particulier, bien que les applications aient été décrites pour un capteur vibrant immobile par rapport au sol, le procédé selon l'invention peut également être utilisé lorsque le dispositif inertiel est installé dans un porteur mobile par rapport au sol. Bien que l'invention ait été décrite en relation avec un gyroscope d'ordre deux (n=2), elle s'applique également à un gyroscope d'ordre plus élevé. Les harmoniques principales à éliminer sont alors l'harmonique d'or- dre n et l'harmonique d'ordre 2n de sorte que pour éliminer au mieux l'erreur compte tenu de l'anisotropie du capteur selon les différentes orientations de la vibration il serait souhaitable d'effectuer un nombre d'évaluations de vitesse de rotation égal à au moins deux fois l'ordre de périodicité de la déformée du capteur en ef- fectuant successivement un positionnement de la vibration selon des angles 8i=00+in/2n où i est un entier variant entre 1 et kn-1 où k est lui-même un entier égal ou supérieur à 1. Toutefois, pour des raisons de temps de mise en œuvre il est généralement préférable de limiter le nombre d'évaluations de la vitesse de rotation à deux avec un décalage géométrique de n/n pour éliminer l'harmonique d'ordre n, ou à quatre avec des décalages géométriques supplémentaires de n/2n et 3n/2n si l'on veut éliminer également l'harmonique d'ordre 2n. REVENDICATIONS 1. Procédé de détermination d'une vitesse de rotation d'un capteur vibrant axisymétrique (7) ayant un organe vibrant (1) associé à des électrodes de commande (4) et des électrodes de détection (5) pour générer une vibration ayant une déformée possédant une périodicité d'ordre n et ayant une position (0) variable en fonction de la rotation du capteur, caractérisé en ce qu'il corn- porte les étapes : - d'effectuer une première évaluation (9) de la vitesse de rotation alors que la vibration se trouve dans une première position (00) par rapport aux électrodes, - d'appliquer une commande de précession (10) en utilisant un facteur d'échelle préétabli jusqu'à ce que la vibration atteigne une deuxième position (02) géométriquement décalée de zt/n par rapport à la première position, -d'effectuer une deuxième évaluation (13) de la vitesse de rotation alors que la vibration se trouve dans la deuxième position, - et d'effectuer une moyenne (15) des évaluations de la vitesse de rotation dans la première position et dans la seconde position. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre les étapes : - d'appliquer la commande de précession (10) pour amener successivement la vibration dans des positions géométriquement décalées de n/2n et de 3n/2n par rapport à la première position, -d'effectuer des évaluations (13) de la vitesse de rotation pour ces positions de la vibration, - et d'effectuer une moyenne des évaluations de vitesse de rotation pour l'ensemble des évaluations ef- fectuées. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes d'effectuer un nombre d'évaluations de vitesse de rotation égal à au moins deux fois l'ordre de périodicité de la déformée du capteur en effectuant successivement un positionnement de la vibration selon des angles décalés de la première position de in/2n où i est un entier variant entre 1 et kn-1 où k est lui-même un entier égal ou supérieur à 1. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape préalable de commander le positionnement de la vibration selon des angles choisis pour qu'un signal de détection correspondant ait une va-leur non nulle. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes : - d'effectuer une comparaison (22) entre la commande de précession et une variation d'angle effectif correspondante, - et d'en déduire une valeur actualisée (23) du facteur d'échelle. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes de : - mesurer (18) des variations de la vitesse de rotation du capteur et - effectuer une déduction algébrique des variations mesurées lors de l'établissement de la moyenne des évaluations de vitesses de rotation. 7. Dispositif inertiel comprenant un capteur vibrant axisymétrique (7), ayant un organe vibrant (1) as- socié à des électrodes de commande (4) et des électrodes de détection (5), des moyens (6) pour exciter le capteur de façon à générer une vibration, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour effectuer une première évaluation (9) de la vitesse de rotation du capteur alors que la vibration se trouve dans une première position (00)par rapport aux électrodes, des moyens pour appliquer une commande de précession (10) en utilisant un facteur d'échelle préétabli jusqu'à ce que la vibration atteigne une deuxième position décalée de 7t/n par rapport à la première position où n est un ordre de périodicité d'une déformée du capteur, des moyens pour effectuer une deuxième évaluation (13) de la vitesse de rotation du capteur alors que la vibration se trouve dans la deuxième position, et des moyens pour effectuer une moyenne (15) entre les évaluations de la vitesse de rotation du capteur dans la première position de la vibration et dans la seconde position de la vibration. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte en outre : - des moyens pour appliquer la commande de pré- cession (10) pour amener la vibration dans des positions décalées de n/2n et de 3n/2n par rapport à la première position, - des moyens pour effectuer des évaluations (13) de la vitesse de rotation pour ces positions de la vibration, - des moyens pour effectuer une moyenne des évaluations de vitesse de rotation pour l'ensemble des évaluations effectuées. 9. Dispositif selon la revendication 7, caracté- risée en ce qu'il comporte : - des moyens pour effectuer une comparaison (22) entre la commande de précession et une variation d'angle effectif correspondante, -et des moyens pour déduire une valeur actuali- sée (23) du facteur d'échelle. 10. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte : - des moyens (19) pour mesurer des variations de 35 la vitesse de rotation du capteur et- des moyens pour effectuer une déduction algébrique des variations mesurées lors de l'établissement de la moyenne des évaluations de vitesses de rotation.