Brevet FR2940425A1 — publié le 20100625

La présente invention concerne un procédé de détermination d'une vitesse de rotation d'un capteur vibrant axisymétrique, et un dispositif inertiel correspon- dant comportant un capteur vibrant axisymétrique. L'invention concerne plus particulièrement les capteurs pré-sentant une dérive angulaire de la position de la vibration dépendant harmoniquement de la position de la dite vibration par rapport au boîtier de l'appareil. 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 œuvre 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 t. 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. 2 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 repré- sentative de la vitesse de rotation du porteur dans l'espace inertiel. On sait également que les gyroscopes vibrants présentent une erreur de dérive qui se traduit lorsque le gyroscope fonctionne en mode gyroscopique par une varia- tion de la position de la vibration même lorsque le porteur n'est soumis à aucune rotation. Cette dérive comporte deux composantes, une composante constante qui, dans le cas d'un gyroscope résonant hémisphérique, est de l'ordre de quelques centièmes de degrés par heure, et une composante appelée dérive alternative qui est composée d'harmoniques, 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 dérive de l'ordre d'un degré par heure et l'harmonique d'ordre 2n engendre une erreur de dérive de l'ordre d'un dixième de degré par heure. Il est connu d'effectuer un étalonnage des gyros- copes 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 gyros- tope. 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. 3 RESUME DE L'INVENTION En vue de la réalisation de ce but, on propose selon l'invention un procédé de détermination d'une vitesse de rotation d'un capteur vibrant axisymétrique ayant un organe vibrant associé à des électrodes de commande et des électrodes de détection pour générer une vibration ayant une déformée possédant une périodicité d'ordre n et ayant une position variable en fonction de la rotation du capteur, le procédé comportant les étapes de : - effectuer une évaluation de la vitesse de rotation successivement pour un nombre au moins égal à 2N+1 de positions de la vibration par rapport aux électrodes, les positions étant géométriquement décalées les unes par rapport aux autres et la vibration étant déplacée d'une position à l'autre par application d'une commande de pré-cession en utilisant un facteur d'échelle préétabli, - identifier au moins une dérive harmonique de la vibration jusqu'à un rang N à partir de 2N+1 évaluations, - déterminer une vitesse de rotation à partir d'au moins une des évaluations dont a été retranchée la dérive harmonique identifiée. Chaque évaluation comprend la dérive non harmonique de vitesse de capteur, la dérive harmonique de vi- tesse et du bruit. La phase d'identification permet d'identifier la dérive harmonique jusqu'au rang N pour la retrancher d'au moins une des évaluations de manière à déterminer une vitesse de rotation qui ne soit plus affectée par cette dérive. Grâce à l'invention, le défaut de dérive résiduel est ainsi faible et dû à la dérive non harmonique ainsi qu'à des dérives harmoniques de rang plus élevé ayant une amplitude relativement faible. Ce défaut pourra alors être compensé lors de la calibration initiale du disposi- tif et seules les évolutions d'une valeur initialement 4 faible et compensée viendront perturber la mesure de vitesse de rotation du dispositif. Avantageusement, le procédé comprend les étapes de retrancher la dérive harmonique de plusieurs évalua- tions et d'effectuer une moyenne de ces évaluations. Ainsi, le moyennage permet de réduire le bruit, améliorant encore la précision de la vitesse déterminée. Les défauts de linéarité générés par les codeurs électroniques utilisés pour la mesure de la position an- gulaire de la vibration étant maximaux pour des valeurs d'entrée nulles, on pourra choisir les angles servant à la mesure de la vitesse de rotation en évitant les va-leurs nulles de sortie des électrodes de détection (signaux d'entrée des codeurs angulaires). 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. L'invention a également pour objet un dispositif inertiel pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention. Ce dispositif inertiel comprend un capteur vibrant axisy- métrique, ayant un organe vibrant associé à des électrodes de commande et des électrodes de détection, des moyens pour exciter le capteur de façon à générer une vibration, et comporte des moyens pour effectuer une évaluation de la vitesse de rotation du capteur pour chacune de 2N+1 positions de la vibration par rapport aux élec- trodes, des moyens pour appliquer des commandes de pré-cession en utilisant un facteur d'échelle préétabli jus-qu'à ce que la vibration atteigne chacune des 2N+1 positions, et des moyens pour identifier au moins une dérive 5 harmonique de la vibration jusqu'à un rang N et déterminer la vitesse de rotation à partir d'au moins une des évaluations dont a été retranchée ladite au moins une dé-rive harmonique identifiée. 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 œuvre 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 œuvre du procédé de l'invention et de ses différentes applications, - la figure 4 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- 6 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 e 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. Le procédé conforme à l'invention comprend les étapes de . - effectuer une évaluation de la vitesse de rotation successivement pour un nombre au moins égal à 2N+1 de positions de la vibration par rapport aux électrodes, les positions étant géométriquement décalées les unes par rapport aux autres et la vibration étant déplacée d'une position à l'autre par application d'une commande de pré-cession en utilisant un facteur d'échelle préétabli, - identifier au moins une dérive harmonique de la vibration jusqu'à un rang N à partir de 2N+1 évaluations, - déterminer une vitesse de rotation à partir d'au moins une des évaluations dont a été retranchée la dérive harmonique identifiée. Le modèle d'erreur de dérive harmonique d'un cap- teur vibrant axisymétrique est de la forme : v Dérive = 1 bc;Cos (2i0e)+-bs, Sin(2i0e) où Oe est l'angle électrique, bci et bs, sont des constantes. L'évaluation de la vitesse pour un angle électrique Oe donné en ne tenant compte que de la dérive harmonique de rang 1 est égale à V=bcicos(2ee)+bslSin(20e)+vitesse de rotation+bruit. En posant X = V-vitesse de rotation, on obtient bclCos (20e) +bslSin (tee) =X-bruit, soit une équation à trois inconnues bci, bsi et X. Par l'invention, on réalise une mesure dans un nombre de positions permettant de disposer d'un nombre d'équations suffisant pour calculer les inconnues, c'est- à-dire ici trois. Pour les angles électriques 8o, 81 et 82, les équations seront : bciCos (280) +bsi sin (28o)= X+bruit bciCos (281) +bsi sin (280= X+bruit bciCos ( 282) +bsi sin (281) = X+bruit Le calcul des inconnues est classique. Une fois les termes bc~, bsi et X calculés, la dérive harmonique est calculée et retranchée d'une des évaluations pour dé-terminer la vitesse de rotation. Pour obtenir une vitesse plus précise encore, la dérive harmonique est retranchée des trois évaluations pour obtenir trois vitesses de rotation dont on va calculer une moyenne retenue comme vitesse de rotation. Ainsi, le procédé selon l'invention comporte une première étape 8 de positionnement de la vibration dans une première position 80. Pour la première position 80 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 re- 8 cherche 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 vi- bration 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. A titre d'exemple, la vibration est placée dans deux positions 14 modifiées el, 02 décalées géométriquement de la position initiale 00 par exemple de 20° et 90°. Le traitement des évaluations est effectué comme indiqué ci-dessus lors d'une étape de calcul 15. Dans les deux modes de réalisation, la position initiale peut être choisie compte tenu des positions dé-calées 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. 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 rotation 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 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 particu- lier d'améliorer la mise en œuvre 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 4 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 10 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 ap- plication 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'éva- luation 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 vi- tesse 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 œuvre 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 11 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 angles entre les positions peuvent être identiques ou différents, de même que les durées d'évaluation dans les différentes positions. Le nombre de positions peut être supérieur à 2N+1. Le procédé de l'invention peut être mis en œuvre de façon continue, par exemple au moyen d'une intégration d'angle ou d'attitude (en utilisant des mesures gyroscopiques et/ou gyrométriques) ou de navigation (en utilisant alors des mesures gyroscopiques et/ou gyrométriques et des mesures accélérométriques) et d'un filtre de KALMAN intégrant un modèle d'erreurs adapté aux capteurs. Le procédé de l'invention peut comporter les étapes de . - calculer une moyenne des évaluations, - calculer une dérive harmonique moyenne, - retrancher la dérive harmonique moyenne de la moyenne des évaluations. Il est en outre possible d'effectuer des corrections supplémentaires à celles du présent procédé. REVENDICATIONS1. 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 comporte les étapes de : - effectuer une évaluation de la vitesse de rotation successivement pour un nombre au moins égal à 2N+1 de positions de la vibration par rapport aux électrodes, les positions étant géométriquement décalées les unes par rapport aux autres et la vibration étant déplacée d'une position à l'autre par application d'une commande de pré- cession en utilisant un facteur d'échelle préétabli, - identifier au moins une dérive harmonique de la vibration jusqu'à un rang N à partir de 2N+1 évaluations, - déterminer une vitesse de rotation à partir d'au moins une des évaluations dont a été retranchée la dérive harmonique identifiée. 2. Procédé selon la revendication 1, comprenant les étapes de retrancher la dérive harmonique de plu-sieurs évaluations et d'effectuer une moyenne de ces éva- luations. 3. Procédé selon la revendication 1, comprenant les étapes de : - calculer une moyenne des évaluations, - calculer une dérive harmonique moyenne, - retrancher la dérive harmonique moyenne de la moyenne des évaluations. 4. Procédé selon tout ou partie des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape préalable de commander le positionnement de la 13 vibration selon des angles choisis pour qu'un signal de détection correspondant ait une valeur non nulle. 5. Procédé selon tout ou partie des revendications précédentes, 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 2, 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 évaluation (9) de la vitesse de rotation du capteur pour chacune de 2N+1 positions de la vibration par rapport aux électrodes, des moyens pour appliquer des commandes de précession (10) en utilisant un facteur d'échelle préétabli jusqu'à ce que la vibration atteigne chacune des 2N+1 positions, et des moyens pour identifier au moins une dérive harmonique de la vibration jusqu'à un rang N et déterminer la vitesse de rotation à partir d'au moins une des évaluations dont a été retranchée ladite au moins une dérive harmonique identifiée. 8. Dispositif inertiel selon la revendication 7, dans lequel les moyens d'identification et de détermina-tion sont agencés pour retrancher la dérive harmonique de plusieurs évaluations et d'effectuer une moyenne de ces évaluations. 9. Dispositif selon la revendication 7, caracté- risée en ce qu'il comporte : - des moyens pour effectuer une comparaison (22) entre chaque 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 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.