EP3794318A1 - Procede d'harmonisation de deux unites de mesure inertielle l'une avec l'autre et systeme de navigation mettant en & x152;uvre ce procede - Google Patents

Procede d'harmonisation de deux unites de mesure inertielle l'une avec l'autre et systeme de navigation mettant en & x152;uvre ce procede

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EP3794318A1
EP3794318A1 EP19722653.3A EP19722653A EP3794318A1 EP 3794318 A1 EP3794318 A1 EP 3794318A1 EP 19722653 A EP19722653 A EP 19722653A EP 3794318 A1 EP3794318 A1 EP 3794318A1
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EP
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inertial measurement
measurement unit
unit
inertial
specific force
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EP19722653.3A
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English (en)
Inventor
Emmanuel Robert
Philippe Elie
Pascal AGOSTINI
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Safran Electronics and Defense SAS
Original Assignee
Safran Electronics and Defense SAS
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Publication date
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    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/13—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by measuring the force required to restore a proofmass subjected to inertial forces to a null position

Definitions

  • An inertial navigation system usually incorporates an Inertial Measurement Unit (IMU), which comprises three accelerometric sensors arranged along the axes of an inertial measurement unit (IMU). accelerometer measuring instrument and three angular sensors, gyroscopes or gyrometers, for measuring angular movements of the accelerometric measurement reference with respect to a reference orientation of the measurement mark.
  • Each accelerometric sensor comprises a proof mass (or "proof mass") subject to the gravity and accelerations of the object which is integral with the inertial unit (for example a vehicle).
  • the accelerometers measure a magnitude called specific force ("force-specific" or "g-force” in English) and determine the three components of a specific force vector.
  • Harmonization between a first inertial unit and a second inertial unit that are carried by the same vehicle is performed by calculating a rotation matrix to project the specific force vectors of the two inertial units in a same frame.
  • This harmonization operation can only be carried out using an in-depth navigation program. the implementation of which requires relatively large computer resources.
  • both inertial units be of sufficient precision to enable navigation to be carried out.
  • the optronic device for navigation by targeting elements of the landscape whose position is known, such as bitter or celestial objects.
  • FIG. 4 is a schematic sectional view of an inertial system according to the invention.
  • the invention relates to a navigation system 1 for a vehicle.
  • vehicle is a ship here, but the invention applies to the same type of vehicle, whether overhead or overland.
  • the satellite geolocation unit 20 is arranged in a manner known per se to work with at least one of the constellations of GPS satellites, GALILEO, GLONASS, BAIDU ...
  • the optronic apparatus 30 comprises, in a manner known per se, a base 40 and a turret 50 provided with a sighting device 60 and mounted on the base 50 to pivot about a first axis A1 or axis deposit.
  • the sighting device 60 is mounted in the turret 50 to pivot about an axis A2, or axis of elevation, perpendicular to the axis A1.
  • the control unit 10 is further arranged to determine a line of sight of the sighting device 60 from measurements of the second inertial measurement unit 100.2 and to project it into a frame of the first inertial measurement unit 100.1. . To do this, the sighting device 60 is pointed towards geographical landmarks whose position is known, for example celestial objects and / or bitter.
  • the harmonization method is implemented by the control unit 10 and comprises the steps of;
  • control unit determine a harmonization value from the specific force deviation and the rotation difference (the lever arm between the two inertial measurement units is here neglected).
  • the comparison of the specific force vectors is carried out by comparing the outputs of the accelerometers
  • the two inertial measurement units can be mounted in the same apparatus, as in the embodiment described, or in separate apparatuses.
  • the second inertial measurement unit 100.2 may be distinct from the optronic apparatus 30.

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Abstract

Procédé d'harmonisation d'une première unité de mesure inertielle et d'une deuxième unité de mesure inertielle l'une avec l'autre, comprenant les étapes de : - faire comparer par une unité de commande les vecteurs mesurés par les unités de mesure inertielle pour déterminer un écart de force spécifique et un écart de rotation en prenant en compte les bras de leviers entre ces deux unités de mesure; - faire déterminer par l'unité de commande une valeur d'harmonisation à partir de l'écart de force spécifique et de l'écart de rotation en prenant en compte les bras de leviers entre ces deux unités de mesure. Système de navigation pour la mise en œuvre de ce procédé.

Description

PROCEDE D’HARMONISATION DE DEUX UNITES DE MESURE
INERTIELLE L’UNE AVEC L’AUTRE ET SYSTEME DE NAVIGATION METTANT EN ŒUVRE CE PROCEDE
La présente invention concerne le domaine de la mesure inertielle de position et/ou d'attitude,
ETAT DE LA TECHNIQUE
Une centrale inertielle (ou INS de l'anglais « Inertial navigation System ») incorpore habituellement une unité de mesure Inertielle (UMI ou IMU de l'anglais « inertial measurement unit ») qui comprend trois cap teurs accélérométriques disposés selon les axes d'un re père de mesure accélérométrique et trois capteurs angu laires, gyroscopes ou gyromètres , pour mesurer des mouve ments angulaires du repère de mesure accélérométrique par rapport à une orientation de référence du repère de me sure. Chaque capteur accélérométrique comprend une masse d'épreuve (ou « proof mass ») soumise à la gravité et aux accélérations de l'objet dont est solidaire la centrale inertielle (par exemple un véhicule) . Dans le repère de mesure accélérométrique, les accéléromètres mesurent une grandeur nommée force spécifique {« spécifie force » ou « g-force » en anglais) et déterminent les trois composantes d'un vecteur de force spécifique. La force spéci fique est égale à la somme des forces non-inertrelies auxquelles le corps inertiel est soumis, divisée par la masse du corps inertiel. La force spécifique a donc la dimension d'une accélération et est d'ailleurs également nommée « proper accélération » dans la littérature anglo- saxonne .
L'harmonisation entre une première centrale iner tielle et une seconde centrale inertielle qui sont por tées par un même véhicule est réalisée en calculant une matrice de rotation pour projeter les vecteurs de force spécifique des deux centrales inertielles dans un même repère. Cette opération d'harmonisation ne peut être réa lisée qu'en utilisant un programme de navigation iner- tielle dont l' exécution nécessite des ressources informa tiques relativement importantes. En outre, il est néces saire que les deux centrales inertielles aient une préci sion suffisante pour permettre la réalisation de la navi- gation.
OBJET DE L' INVENTION
Un but de lf invention est de fournir un moyen d'harmonisation qui soit fiable tout en étant simple,
BREF EXPOSE DE L' INVENTION
A cet effet, on prévoit, selon l'invention, un procédé d'harmonisation d'une première unité de mesure inertielle et d'une deuxième unité de mesure inertielle l'une avec l'autre, la première unité de mesure iner tielle et la deuxième unité de mesure inertielle étant reliées à un même circuit de commande et étant agencées pour déterminer un vecteur de force spécifique et un vec teur instantané de rotation ; caractérisé en ce que le procédé comprend les étapes de :
- faire comparer l'un à l'autre, par l'unité de commande, au moins un des deux vecteurs déterminés par chaque unité de mesure inertielle pour déterminer un écart en prenant en compte un bras de levier entre les deux unités de mesure inertielle ;
- faire déterminer par l'unité de commande une valeur d'harmonisation à partir dudit écart en prenant en compte le bras de levier entre ces deux unités de mesure.
Dans le procédé de l'invention, on compare directement l'un à l'autre les deux vecteurs de force spécifique et/ou les deux vecteurs de rotation respectivement, sans passer par un repère inertiel . Il n'est donc pas nécessaire dans l'invention d'effectuer une navigation ou de calculer un repère inertiel pour effectuer la compa raison, Il n'est donc pas nécessaire non plus de disposer de ressources informatiques importantes ni de deux unités de mesure inertielles de précisions équivalentes. Selon un mode de mise en oeuvre particulier, l'unité de commande compare les deux vecteurs de force spécifique pour déterminer un écart de force spécifique et les deux vecteurs instantanés de rotation pour déter- miner un écart de rotation et détermine la valeur d'harmonisation à partir de l'écart de force spécifique et de l'écart de rotation.
L'harmonisation est alors particulièrement per formante .
L'invention a également pour objet un système de navigation pour véhicule, comprenant une première unité de mesure inertielle et une deuxième unité de mesure inertielle reliées à une unité électronique de commande agencée pour mettre en œuvre le procédé de l'invention
Selon un mode de réalisation particulier, le système comprend un appareil optronique comportant une base et une tourelle pourvue d'un dispositif de visée et mon tée sur la base pour pivoter autour d'un premier axe, la deuxième unité de mesure inertielle étant solidaire de la tourelle, et, de préférence, l'unité de commande est agencée pour déterminer une ligne de visée du dispositif de visée à partir de mesures de la deuxième unité de me sure inertielle et pour la projeter dans un repère de la première unité de mesure inertielle.
Ainsi, il est possible d'utiliser l'appareil op tronique pour la navigation en visant des éléments du paysage dont la position est connue, comme des amers ou des objets célestes.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers non limita tifs de l'invention,
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en plan d' un système de navigation mettant en œuvre le procédé de l'invention ;
- la figure 2 est une vue schématique d' une cen- traie inertielle de ce système ?
- la figure 3 est une vue géométrique montrant le positionnement du vecteur force spécifique dans les repères des deux centrales inertielles ;
- la figure 4 est une vue schématique en coupe d'un système inertiel selon l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L' INVENTION
En référence aux figures, l'invention concerne un système de navigation 1 pour véhicule. Le véhicule est ici un navire mais l'invention s'applique de la même rrta- nière à tout autre type de véhicule, aérien ou terrestre.
Le système de navigation 1 comprend ici une unité électronique de commande 10 reliée à une unité électro nique de géolocalisation satellitaire 20 et à un appareil optronique 30.
L'unité de géolocalisation satellitaire 20 est agencée de manière connue en elle-même pour fonctionner avec l'une au moins des constellations de satellites GPS, GALILEO, GLONASS, BAIDU ...
L'appareil optronique 30 comprend, de façon con- nue en elle-même, une base 40 et une tourelle 50 pourvue d'un dispositif de visée 60 et montée sur la base 50 pour pivoter autour d'un premier axe Al ou axe de gisement. Le dispositif de visée 60 est monté dans la tourelle 50 pour pivoter autour d'un axe A2 , ou axe de site, perpendicu- laire à l'axe Al.
La base 40 comprend un moteur pour régler la position angulaire de la tourelle 50, et donc du dispositif de visée 60, autour de l'axe Al, par rapport à la base 40. La base 40 comprend également une première centrale inertielle . La tourelle 50 comprend un moteur pour régler la position angulaire du dispositif de visée 60, autour de l'axe A2 , par rapport à la tourelle 50.
Le dispositif de visée 60, connu en lui-même, comprend un châssis support 61 portant un ensemble op tique 62 derrière lequel est monté au moins un capteur électronique d'image 63. Le dispositif de visée 60 com prend ici en outre un dispositif de stabilisation 64 re liant le capteur électronique d' image 63 au châssis sup- port 61. Le dispositif de stabilisation comprend des ac- tionneurs, par exemple piézoélectriques, reliés à un circuit de commande agencé pour déplacer le capteur électro nique d' image 63 en réponse à des signaux provenant d' une unité de mesure inertielle 100.2 reliée au circuit de commande du dispositif de stabilisation.
La centrale inertielle comprend une unité de me sure inertielle 100.1 incorporant trois accéléromètres 111.1, 112.1, 113.1 disposés selon les axes XI, Yl, Zl d'un repère RI d'origine 01. L'unité de mesure inertielle 100.1 comprend trois capteurs angulaires 121.1, 122.1,
123.1 sont montés selon les axes XI, Yl, Zl. Les capteurs angulaires 121.1, 122.1, 123.1 sont ici des gyroscopes à résonateur axisymétrique vibrant.
L'unité de mesure inertielle 100.2 comprend trois accéléromètres 111.2, 112.2, 113.2 disposés selon les axes X2, Y2, Z2 d'un repère R2 d'origine 02. Trois cap teurs angulaires 121.2, 122.2, 123.2 sont montés selon les axes X2, Y2, Z2. Les accéléromètres 111.2, 112.2,
113.2 et capteurs angulaires 121.2, 122.2, 123.2 sont ici des microsystèmes électromécaniques (ou MEMS de l'anglais
« Microelectromechanical Systems »} .
Les unités de mesure inertielle 100.1, 100.2 sont positionnées de telle manière que les repères RI et R2 soient sensiblement alignés l'un sur l'autre. Une précision de quelques degrés est suffisante du fait de la mise en œuvre ultérieure du procédé d'harmonisation de l'invention qui permettra de compenser ces quelques de grés d'écart.
Les unités de mesure inertielle 100.1, 100.2 sont agencées pour mesurer la même force spécifique sous la forme d'un vecteur de force spécifique représenté en F sur la figure 3. Les unités de mesure inertielle 100.1, 100.2 sont également agencées pour permettre de détermi ner un vecteur rotation instantanée. On notera que, dans le présent mode de réalisation, les deux unités de mesure inertielle 100.1, 100.2 sont positionnées au voisinage l'une de l'autre, c'est-à-dire suffisamment proches l'une de l'autre, de manière à avoir entre elles un bras de le vier négligeable.
L'unité électronique de commande 10 est agencée pour mettre en œuvre un procédé de navigation mêlant par un algorithme d'hybridation les signaux provenant de :
- l'unité électronique de géolocalisation satel litaire 20 ;
- des moyens de navigation à l'estime tels que le loch, le chronomètre et le compas de bord ;
- la centrale inertielle incorporant l'unité de mesure inertielle 100.1 ;
- l'appareil optronique 30.
L'hybridation des signaux de l'unité de géoloca lisation satellitaire 20 et de la centrale inertielle 100.1 de telle manière que la centrale inertielle incorporant l'unité de mesure inertielle 100.1 assure la continuité de la navigation en l'absence de réception des signaux de l'unité électronique de géolocalisation satellitaire 20. Ceci est connu en soi.
L'unité de commande 10 est également agencée pour réaliser une hybridation des signaux de l'unité de géolo calisation satellitaire 20 et des moyens de navigation à l'estime de telle manière que les moyens de navigation à l'estime assurent la continuité de la navigation en l'absence de réception des signaux de l'unité électro nique de géolocalisation satellitaire 20. Ceci est égale ment connu en soi.
L'unité de commande 10 est en plus agencée pour déterminer une ligne de visée du dispositif de visée 60 à partir de mesures de la deuxième unité de mesure iner- tielle 100.2 et pour la projeter dans un repère de la première unité de mesure inertielle 100.1. Pour ce faire, le dispositif de visée 60 est pointé vers des repères géographiques dont la position est connue, par exemple des objets célestes et/ou des amers.
Pour que cette navigation soit exacte, il est né cessaire de procéder à l'harmonisation de la première unité de mesure inertielle 100.1 et de la deuxième unité de mesure inertielle 100.2 l'une avec l'autre. Le procédé d'harmonisation est mis en œuvre par l'unité de commande 10 et comprend les étapes de ;
- comparer les signaux émis par les unités de me- sure inertielle 100.1, 100.2 et représentatifs du vecteur de force spécifique et du vecteur instantané de rotation pour déterminer un écart de force spécifique et un écart de rotation entre les repères RI et R2 (le bras de levier entre les deux unités de mesure inertielle est ici négli- gé) ;
- faire déterminer par l'unité de commande une valeur d'harmonisation à partir de l'écart de force spécifique et de l'écart de rotation (le bras de levier entre les deux unités de mesure inertielle est ici négli- gé) .
La comparaison des vecteurs de force spécifique est réalisée en comparant les sorties des accéléro ètres
111.1, 112.1, 113.1 aux sorties des accéléromètres 111.2,
112.2, 113.2 respectivement. Les sorties des accéléromètres sont comparées deux à deux ici après une correc- tion de la normalisation des vecteurs force spécifique, La comparaison des vecteurs instantanés de rotation est réalisée en comparant les sorties des capteurs angulaires 121.1, 122.1, 123.1 aux sorties des capteurs angulaires 121 2, 122.2, 123.2 respectivement. Les sorties des cap teurs angulaires sont comparées deux à deux ici après une correction de la normalisation des vecteurs instantanés de rotation. Les sorties des accéléromètres et des capteurs angulaires sont ici des incréments de vitesse, c' est-à-dire une vitesse moyenne pendant un temps donné.
La valeur d'harmonisation est prise en compte pour projeter, dans le repère Rl, les informations du re père lié à la direction de visée afin de pouvoir exploi ter ces informations lors de l'hybridation.
Le procédé d'harmonisation est réalisé périodi quement pour garantir que les deux centrales sont toujours harmonisées l'une avec l'autre. L'harmonisation est ici réalisée en temps réel.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications .
En particulier, les deux unités de mesure iner- tielle peuvent être montées dans un même appareil, comme dans le mode de réalisation décrit, ou dans des appareils distincts .
L'unité de commande peut être intégrée à l'appareil optronique ou être séparée de celui-ci.
La deuxième unité de mesure inertielle 100.2 peut être distincte de l'appareil optronique 30.
La première centrale inertielle incorporant l'unité de mesure inertielle 100.1 peut être distincte de l'appareil optronique 30.
Si les unités de mesure inertielle sont éloignées l'une de l'autre, on tiendra compte du bras de levier existant entre les unités de mesure inertielle, lors de la comparaison des vecteurs entre eux et lors de la détermination de la valeur d'harmonisation.
Selon une version dégradée du procédé, il est possible de déterminer la valeur d'harmonisation à partir d'un seul écart déterminé par comparaison soit des vec teurs de force spécifique soif des vecteurs instantanés de rotation. La précision de l'harmonisation est alors moindre que dans le procédé décrit plus haut.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'harmonisation d'une première unité de mesure inertielle et d'une deuxième unité de mesure inertielle l'une avec l'autre, la première unité de me sure inertielle et la deuxième unité de mesure inertielle étant reliées à un même circuit de commande et étant agencées pour déterminer un vecteur de force spécifique et un vecteur instantané de rotation ; caractérisé en ce que le procédé comprend les étapes de :
- faire comparer l'un à l'autre, par l'unité de commande, au moins un des deux vecteurs déterminés par chaque unité de mesure inertielle pour déterminer un écart en prenant en compte un bras de levier entre les deux unités de mesure inertielle ;
- faire déterminer par l'unité de commande une valeur d'harmonisation à partir dudit écart en prenant en compte le bras de levier entre ces deux unités de mesure.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'unité de commande compare les deux vecteurs de force spécifique pour déterminer un écart de force spécifique et les deux vecteurs instantanés de rotation pour déterminer un écart de rotation et détermine la valeur d'harmonisation à partir de l'écart de force spécifique et de l'écart de rotation.
3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, la première unité de mesure inertielle et la deuxième unité de mesure inertielle comprennent chacune trois accéléromètres disposés chacun selon un axe du re- père, la comparaison des vecteurs force spécifique est réalisée en comparant deux à deux les sorties des accéléromètres des deux unités de mesure inertielle.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendica tions précédentes, dans lequel la première unité de mesure inertielle et la deuxième unité de mesure inertielle comprennent chacune trois capteurs angulaire disposés chacun selon un axe du repère, la comparaison des vecteurs instantanés de rotation est réalisée en comparant deux à deux les sorties des capteurs angulaires des deux unités de mesure inertielle .
5. Procédé selon l'une quelconque des revendica tions précédentes, dans lequel l'harmonisation est réalisée périodiquement.
6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel l'harmonisation est réalisée en temps réel.
7. Système de navigation pour véhicule, compre nant une première unité de mesure inertielle et une deuxième unité de mesure inertielle reliées à une unité électronique de commande agencée pour mettre en œuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes .
8. Système selon la revendication précédente, comprenant un appareil optronique comportant une base et une tourelle pourvue d'un dispositif de visée et montée sur la base pour pivoter autour d'un premier axe, la deu xième unité de mesure inertielle étant solidaire de la tourelle .
9. Système selon la revendication précédente, dans lequel la deuxième unité de mesure inertielle est agencée pour assurer une stabilisation du dispositif de visée porté par la tourelle.
10. Système selon la revendication 8 ou la reven dication 9, dans lequel la première unité de mesure iner tielle est solidaire de la base de l'appareil optronique.
11. Système selon l'une quelconque des revendica tions 8 à 10, dans lequel l'unité de commande est agencée pour déterminer une ligne de visée du dispositif de visée à partir de mesures de la deuxième unité de mesure iner tielle et pour la projeter dans un repère de la première unité de mesure inertielle.
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