Brevet FR2953589A1 — publié le 20110610

La présente invention concerne un procédé de détermination d'un cap au moyen d'un dispositif inertiel utilisable par exemple comme gyrocompas et chercheur de Nord. Il est connu de déterminer un cap au moyen d'un dispositif inertiel de manière à mesurer et positionner le déplacement résultant de la rotation de la Terre, c'est-à-dire à détecter la direction Est/Ouest. Un tel dispositif inertiel comporte un capteur angulaire vibrant ayant un résonateur associé à des moyens de détection et des moyens de mise en vibration du résonateur reliés à une unité de commande. Les moyens de vibration font appel à une haute tension. La détermination de cap peut être réalisée en commandant le capteur angulaire dans un mode de fonctionnement en gyroscope dans lequel la vibration est laissée libre de se déplacer dans un repère angulaire du résonateur. La vibration se déplace sous l'effet de la rotation terrestre et le déplacement angulaire de la vibration est détecté pour déterminer la direction du Nord. Ce mode de fonctionnement est avantageux car il autorise une large plage de mesure, présente un facteur d'échelle stable et est faiblement dépendant de la qualité de la haute tension. En revanche, dans ce mode de fonctionnement, il existe des biais non linéaires du fait de l'utilisation de convertisseurs analogique/numérique qui provoque un défaut de continuité du signal détecté. Ces erreurs dégradent les performances plus particulièrement au voisinage de 00, 900, 180°, 270° du fait du traitement des me- sures qui fait appel aux sinus et cosinus de ces angles. La détermination de cap peut être réalisée en commandant le capteur angulaire dans un mode de fonctionnement en gyromètre dans lequel la vibration est mainte-nue sur un angle prédéterminé dans le repère du résona- teur. L'énergie nécessaire au maintien de la vibration sur cet angle malgré l'influence de la rotation terrestre est détectée pour déterminer la direction du Nord. Ce mode de fonctionnement est avantageux car il présente un biais stable pour un angle électrique donné mais présente en revanche un facteur d'échelle sensible à la qualité de la haute tension. Un but de l'invention est de fournir un moyen pour améliorer encore les performances de la détermination de cap au moyen d'un dispositif inertiel. A cet effet, on prévoit, selon l'invention, un procédé de détermination d'un cap au moyen d'un dispositif inertiel comportant au moins un capteur angulaire vibrant ayant un résonateur associé à des moyens de détection et des moyens de mise en vibration du résonateur re- liés à une unité de commande pour avoir un premier mode de fonctionnement dans lequel la vibration est laissée libre de se déplacer dans un repère angulaire du résonateur et un deuxième mode de fonctionnement dans lequel la vibration est maintenue sur un angle prédéterminé dans le repère du résonateur, et le procédé comprenant les étapes de . - commander le capteur dans le deuxième mode de fonctionnement pour maintenir la vibration sur un angle électrique prédéterminée correspondant à une valeur de moindre erreur du capteur, - commander le capteur dans le premier mode de fonctionnement pour effectuer une mesure de cap et commander le capteur dans le deuxième mode de fonctionnement une fois la mesure effectuée et jusqu'à une prochaine me- sure pour maintenir la vibration sur l'angle électrique prédéterminé. Ainsi, le capteur angulaire fonctionne comme un gyromètre tant qu'une commande de mesure n'est pas reçue par le dispositif inertiel et comme un gyroscope lors- qu'une mesure doit être réalisée. Le fonctionnement en gyromètre permet de maintenir la vibration sur un angle dans lequel le capteur présente les meilleures performances. Lors de la mesure, le capteur est commandé pour fonctionner en gyroscope : comme la vitesse angulaire me- surée est faible, de quinze degrés par heure, et la me-sure est courte, de l'ordre de deux minutes, la vibration reste au voisinage de l'angle choisi. Une bonne précision de mesure peut ainsi être obtenue. De préférence, les moyens de détection sont re- liés à l'unité de commande via au moins un convertisseur analogique numérique, la valeur de moindre erreur étant sélectionnée en fonction d'une dynamique du convertisseur. Ceci constitue une erreur ayant une influence im- portante sur les performances du capteur. Avantageusement, le procédé comprend une étape préalable de calibration dans laquelle une série de mesures est effectuée pour différents angles de la vibration et la valeur de moindre erreur est sélectionnée à partir de la série de mesures. L'étape de calibration permet de déterminer la valeur de moindre erreur propre au capteur considéré et aux conditions de mesure présentes. De préférence encore, la mesure est effectuée après une période de stabilisation suivant le passage du deuxième mode de fonctionnement au premier mode de fonctionnement. Ceci permet de limiter une influence néfaste du mode de fonctionnement gyromètre (inertie des charges électriques) sur la mesure en mode de fonctionnement gyroscope. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d'un mode de mise en œuvre particulier non limi- tatif de l'invention. Il sera fait référence à la figure unique annexée représentant schématiquement un dispositif inertiel pour la mise en œuvre du procédé de l'invention. En référence à la figure, le procédé est mis en œuvre au moyen d'un dispositif inertiel généralement dé-signé en 1 et comportant une plate-forme 2 (schématisée en traits mixtes doubles) pourvue de façon connue en elle-même d'un capteur angulaire vibrant symbolisé en 3. Le capteur angulaire vibrant 3 a une structure connue en elle-même. La structure du capteur angulaire vibrant 3 sera ici un peu détaillée pour les besoins de la description du procédé de l'invention. Le capteur angulaire vibrant 3 comporte un résonateur axisymétrique en un matériau siliceux équipé d'électrodes permettant, dans un mode d'excitation, de mettre le résonateur en vibration de telle manière que la vibration soit symétrique par rapport à un axe perpendiculaire à un axe de référence du capteur angulaire vibrant 3 et dont la position angulaire autour de l'axe de référence est réglable, lorsque le capteur est commandé en mode gyromètre, via une commande électrique appropriée des électrodes, commande dite de précession. Les électrodes sont également utilisées dans un mode de détection pour déterminer la position angulaire de la vibration. Lorsque le capteur angulaire est utilisé en mode gyroscope, l'orientation de la vibration autour de l'axe est laissée libre, le déplacement de la vibration pouvant être associé à une information sur un déplacement angulaire du capteur. Le dispositif inertiel est monté sur un disposi- tif rotatif 10 comportant un plateau 11 supporté par une embase pivotante 12 permettant de faire pivoter le plateau 11 autour d'un axe normal au plateau. L'embase pivotante 12 intègre un système de réglage angulaire 13 du plateau autour de l'axe de rotation. Ce type de système de réglage angulaire est connu en lui-même et se ren- contre par exemple dans les plateaux diviseurs. Le système de réglage angulaire peut par exemple comprendre des organes de blocage du plateau dans des positions prédéterminées (les organes de blocage comprennent par exemple un verrou radial solidaire du plateau 11 et destiné à s'engager dans des logements ménagées en des positions prédéterminées dans un boîtier fixe de l'embase pivotante 12 du dispositif rotatif). Le plateau 11 est à positionner horizontalement par exemple au moyen de niveaux à bulle solidaires du dispositif rotatif 10. De préférence, le dispositif rotatif intègre une motorisation pour en-traîner le plateau 11 en rotation. En variante, si le dispositif inertiel 1 comporte des accéléromètres, ces derniers peuvent être utilisés pour déterminer l'inclinaison du plateau du dispositif rotatif et du dis-positif inertiel fixé sur le plateau du dispositif rota-tif et en tenir compte, de façon connue, pour positionner le dispositif inertiel à l'horizontale ou pour déterminer le cap. Le capteur angulaire vibrant 3 est relié à une unité de commande 5 agencée pour piloter le capteur angulaire vibrant 3, récupérer et exploiter les signaux pro-venant du capteur angulaire vibrant 3. L'unité de commande 5 est agencée pour exécuter un programme de commande du dispositif inertiel en mode gyrocompas. Ce programme met en oeuvre le procédé, conforme à l'invention, de détermination d'un cap en particulier vers le Nord. Le procédé comprend les étapes de : - commander le capteur dans le mode de fonctionnement en gyromètre pour maintenir la vibration sur un angle électrique prédéterminé correspondant à une valeur de moindre erreur du capteur, - commander le capteur dans le mode de fonction- nement en gyroscope pour effectuer une mesure de cap et commander le capteur dans le mode de fonctionnement en gyromètre une fois la mesure effectuée et jusqu'à une prochaine mesure pour maintenir la vibration sur l'angle électrique prédéterminé. La mesure est effectuée après une période de stabilisation suivant le passage du mode de fonctionnement en gyromètre au mode de fonctionnement en gyroscope pour laisser le capteur angulaire et sa vibration se stabiliser. Les moyens de détection sont reliés à l'unité de commande 5 via au moins un convertisseur analogique numérique, la valeur de moindre erreur est sélectionnée en fonction d'une dynamique du convertisseur. La valeur de moindre erreur est de 45° environ dans le cas présent. En variante, le procédé de l'invention comprend une étape préalable de calibration dans laquelle une série de mesures est effectuée pour différents angles de la vibration et la valeur de moindre erreur est sélectionnée à partir de la série de mesures. Dans une nouvelle variante, l'opération de mesure comprend en réalité trois mesures successives et comprend les étapes de : - disposer le dispositif inertiel 1 successive-ment dans trois positions ou orientations angulaires au- tour d'un axe vertical Z, - pour chaque position angulaire, régler un angle électrique du capteur angulaire vibrant 3 sur la valeur prédéterminée de moindre erreur et effectuer une mesure de cap, - déterminer le cap à partir des mesures de cap et d'un angle entre les positions angulaires. Les trois positions angulaires sont décalées de 120° les unes par rapport aux autres et sont obtenues en faisant pivoter le plateau pour positionner le dispositif inertiel successivement dans les trois positions. Le pla- teau étant immobilisé dans chaque position, l'angle électrique est recalé sur la position prédéterminée et une mesure est effectuée. La valeur prédéterminée de l'angle électrique est la même pour toutes les positions angulaires du dispositif inertiel. La valeur de l'angle électrique est choisie comme précédemment de manière à avoir une valeur de dé-rive la plus faible possible. Pour chaque position, l'angle électrique est fixé à la même valeur pour les mesures en agissant sur la commande de précession (pendant et/ou après le changement de position du dispositif inertiel). Les signaux émanant du capteur angulaire vibrant 3 sont détectés et la dérive correspondantes du capteur est ensuite déterminée. La dérive du capteur angulaire vibrant est calculée de manière connue en soi. Après la réalisation de la mesure dans la première position, le dispositif inertiel est déplacé dans la position suivante. L'angle électrique est ensuite réglé sur le capteur angulaire vibrant 3 sur la même valeur que pour la première mesure. Les signaux émanant de ce capteur angulaire vibrant 3 sont détectés et la dérive correspondante de ce capteur est ensuite déterminée. L'opération est ensuite renouvelée dans la troisième position. Dans l'exemple détaillé ci-dessus, le cap est en-suite déterminé en déterminant quelle est la dépendance de la mesure de vitesse angulaire par rapport à la posi- tion de la mesure (1, 2 et 3). La troisième position de mesure permet en outre d'éliminer l'erreur moyenne de mesure correspondant au biais du capteur. Le cap est par exemple déterminé en mesurant d'abord la vitesse angulaire pour chaque position angulaire du dispsitif inertiel, à savoir Vitesse Angulairel, VitesseAngulaire2 et Vitesse _Angulaire3 respectivement lorsque le capteur est placé dans les positions angulai- res Anglel, Angle2 et Angle3 (les 3 positions du dispositif inertiel 1). Ensuite, on calcule le régresseur suivant : VitesseAngulairei = A * cos(Anglei) + B * sin(Anglei) + C pour i= 1, 2 et 3 (système de 3 équations à 3 incon- nues) où : C est l'erreur moyenne de mesure quelle que soit la position du dispositif inertiel, c'est le biais du capteur, que l'on élimine du calcul ; - A et B permettent de calculer le cap, en utili- sant un calcul d'Arctangente. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de mise en oeuvre particuliers décrits mais englobe également toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, le dispositif inertiel peut comprendre un nombre différent de capteurs angulaires vibrants ou d'accéléromètres, le dispositif inertiel devant toutefois comprendre au moins un capteur angulaire vibrant. En variante, il est possible d'avoir deux positions à 180°, quatre positions à 90° ou plus. REVENDICATIONS1. Procédé de détermination d'un cap au moyen d'un dispositif inertiel (1) comportant au moins un cap- teur angulaire vibrant (3) ayant un résonateur associé à des moyens de détection et des moyens de mise en vibration du résonateur reliés à une unité de commande pour avoir un premier mode de fonctionnement dans lequel la vibration est laissée libre de se déplacer dans un repère angulaire du résonateur et un deuxième mode de fonctionnement dans lequel la vibration est maintenue sur un angle prédéterminé dans le repère du résonateur, et le pro-cédé comprenant les étapes de : - commander le capteur dans le deuxième mode de fonctionnement pour maintenir la vibration sur un angle électrique prédéterminée correspondant à une valeur de moindre erreur du capteur, - commander le capteur dans le premier mode de fonctionnement pour effectuer une mesure de cap et corn- mander le capteur dans le deuxième mode de fonctionnement une fois la mesure effectuée et jusqu'à une prochaine me-sure pour maintenir la vibration sur l'angle électrique prédéterminé. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, les moyens de détection étant reliés à l'unité de commande via au moins un convertisseur analogique numérique, la valeur de moindre erreur est sélectionnée en fonction d'une dynamique du convertisseur. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la valeur de moindre erreur est de 45° environ. 4. Procédé selon la revendication 1, comprenant une étape préalable de calibration dans laquelle une série de mesures est effectuée pour différents angles de la vibration et la valeur de moindre erreur est sélectionnée à partir de la série de mesures. 5 . Procédé selon la revendication 1, dans lequel la mesure est effectuée après une période de stabilisation suivant le passage du deuxième mode de fonctionne-ment au premier mode de fonctionnement. 6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel plusieurs mesures sont effectuées en calant le capteur angulaire sur différentes orientations, la vibration étant maintenue sur le même angle électrique prédéterminé préalablement à chaque mesure.