FR2473746A1

FR2473746A1 - Dispositif de pilotage et de stabilisation pour vehicule

Info

Publication number: FR2473746A1
Application number: FR8000372A
Authority: FR
Inventors: Rudiger Karmann; Peter Hamel
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1980-01-09
Filing date: 1980-01-09
Publication date: 1981-07-17
Also published as: FR2473746B1

Abstract

Système de pilotage et de stabilisation de véhicule comportant pour déterminer l'attitude trois magnétomètres fixes à axes perpendiculaires entre eux, des moyens pour transformer en coordonnées géodésiques les coordonnées magnétométriques, et un capteur supplémentaire d'attitude pour l'une des trois attitudes du véhicule. Les signaux de sortie des magnétomètres et du capteur supplémentaire sont transmis à un microprocesseur qui combine les signaux de magnétomètre transformés avec les valeurs de base du capteur supplémentaire et qui calcule en fonction des valeurs pour un mouvement de consigne du véhicule les tensions de régulation nécessaires pour le régulateur et le système d'asservissement. Système utilisé notamment avec les engins volants, en particulier engins sans équipage et petits avions, et avec les bateaux, en particulier petits bateaux, tels que voiliers de plaisance. (CF DESSIN DANS BOPI)

Description

La présente invention a pour objet un dispositif de pilotage et de stabilisation pour véhicules, notamment pour engins volants et bateaux, comportant un système indicateur d'attitude avec trois magnétomètres nontés à poste fixe dans le véhicule, dont les axes dirigés dans le sens des axes du véhicule sont respectivement perpendiculaires entre eux, comportant également des moyens pour transformer les coordonnées des magnétomètres solidaires du véhicule en coordonnées géodésiques, ainsi qu'un capteur de position donnant une information supplémentaire pour l'une des trois attitudes de véhicule.

Les systèmes de détermination d'attitude du type indiqué ci-dessus sont connus et sont décrits, par exemple, dans l'article de R. Pietila et W.R. Dunn, "A Vector Autopilot
System", "TEEE Transaction on Aerospace and Electronic Système , Volume AES-12, nO 3, mai 1976. Ils ont pour caractéristique, tout en présentant une précision suffisante, de pouvoir utiliser des composants bon marché qui permettent de plus de réaliser un dispositif peu encombrant.

L'invention a pour but de créer un système de pilotage et de stabilisation géomagnétique en utilisant un système de détermination d'attitude du type indiqué, qui se présente sous une forme peu encombrante et peut être réalisé à un prix de revient peu élevé.

Ce résultat est obtenu par l'invention gracie au fait que les signaux de sortie des magnétomètres et du capteur supplémentaire sont transmis à un microprocesseur, dans lequel les signaux de magnétomètres transformés sont combinés avec les valeurs de base du capteur supplémentaire, et dans lequel, en fonction des valeurs pour un mouvement prévu pré donné sont calculées de plus les tensions de régulation pour le régulateur et pour le système d'asservissement du véhicule.

Dans le microprocesseur peuvent être mises en mémoire comme valeurs réelles les données du champ magnétique terrestre valables pour le secteur opérationnel du véhicule, c'est à dire l'inclinaison, la déclinaison et l'intensité totale, données au moyen desquelles on peut déterminer par le calcultla position du moment.

Selon un développement particulièrement avantageux de l'invention, la transformation des coordonnées est effectue avec le microprocesseur. Dans un grand nombre de cas, une matrice d'impédance électrique suffit pour effectuer cette transformation de coordonnées.

On peut aussi introduire en plus dans le microprocesseur les données d'un programme pour un déroulement de mouvement prédonné du véhicule. Ce programme peut être un programme en fonction du temps mais il peut autre aussi bien un programme en fonction du lieu ou bien en fonction du mouvement.

Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les magnétomètres sont munis d'une compensation de décalage de zéro du champ magnétique; dans ce cas, les attitudes théoriques du véhicule sont réglables en alimentant la bobine de compensation de magnétomètre avec un courant de compensation. cette façon de procéder simplifie les opérations du calculateur.

Au lieu d'un système de magnétomètre à trois axes on peut également utiliser un système de magnétomètre à deux axes pouvant pivoter de 900 autour de l'axe vertical par procédé mécanique.

Pour améliorer la stabilité du véhicule, les vitesses de variation des angles d'attitude peuvent être obtenues sous forme de signaux au moyen d'une bobine d'induction triple utilisée en liaison avec un transmetteur de valeurs de bases; elles sont alors mises à la disposition du régulateur et du système d'asservissement comme tensions de régulation.

Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple, en référence à la figure unique du dessin annexé représentant sous forme de schéma-bloc le dispositif de pilotage et de stabilisation d'un engin volant.

Pour déterminer l'attitude réelle de l'engin volant, il est prévu un capteur 2 qui est constitué par un système de magnétomètres comportant trois magnétomètres montés à poste fixe dans l'engin volant Cmagnêtomètre triple), dont les axes dirigés suivant les axes de l'engin volant sont respectivement perpendiculaires entre eux ; au lieu d'un système de magnétomètres à trois axes orthoganaux on peut également utiliser un système à deux axes pouvant pivoter de 900 par procédé mécanique autour de l'axe vertical (axe des Z), qui peut être un système x-z ou un système y-z.Lorsqu'il s'agit du système à trois axes, le choix entre la composante x et la composante y s'effectue en fonction du cap suivi car, dans le sens est-ouest, la détermination du cap s'effectue de préférence avec les composantes de magnétomètre x-z tandis que, dans le sens nord-sud, la détermination du cap s'effectue de préférence avec composante de magnétomètre y-z.

Outre le capteur 2 associé au système de magnétomètre, il est prévu un capteur supplémentaire 4 qui fournit l'information supplémentaire concernant les trois attitudes de vol, cette information étant nécessaire, en sus des signaux de sortie de magnétomètre pour déterminer sans ambigüité l'attitude de vol. On peut utiliser comme capteur supplémentaire un pendule, mais on peut également utiliser un capteur réagissant au champ électrique terrestre.

Les signaux de sortie du capteur 2 et du capteur supplémentaire 4 sont transmis à un processeur 6 qui peut être un microprocesseur. Dans cet ordinateur 6 sont introduites comme valeurs fixes les données du champ magnétique terrestre pour la zone opérationnelle de l'engin volant, c'est à dire l'inclinaison, la déclinaison et l'intensité totale. A l'aide des valeurs du champ magnétique terrestre mises en mémoire, le microprocesseur transforme en coordonnées géodésiques les composantes du champ magnétique terrestre déterminées par le système de magnétomètre.

Le capteur 2 est disposé de façon fixe dans le corps de l'engin volant. La transformation de coordonnées s'effectue de telle sorte qu'on passe de coordonnées solidaires du corps d'engin volant à des coordonnées solidaires du champ magnétique terrestre.

On transmet de plus au microprocesseur les valeurs de consigne pour l'attitude et le cap de l'engin volant, ces valeurs de consigne pouvant, par exemple, déterminer un vol en ligne droite horizontal de l'engin volant. Kawis on peut également introduire dans la microprocesseur des programmes en fonction du temps et/ou en fonction du lieu et de parcours.

Dans le processeur, les signaux de magnétomètre transformés sont combinés aux valeurs de base du capteur supplémentaire. Le processeur calcule en fonction des valeurs de consigne prédonnées la tension de régulation nécessaire et la transmet au régulateur 8. Le régulateur agit alors sur le système d'asservissement 10 grâce auquel l'engin volant 12 passe de sa position du moment dans la position de consigne prédonnée.

Etant donné que les informations concernant le magnétisme terrestre peuvent être considérées pratiquement comme constantes dans une zone géographique d'une largeur approximative de 200 à 250 km. Le système de pilotage et de stabilisation-selon l'invention fonctionné dans cette zone avec une précision suffisante si on introduit comme valeurs fixes les données de champ magnétique terrestre correspondant au centre de la zone d'opération. Naturellement, il est égalèment possible de mettre en mémoire les données de champ magnétique terrestre pour un certain nombre de zones et ensuite de passer sur les valeurs à adopter dans chaque cas en fonction de la position du moment de l'engin convolant
Dans un grand nombre de cas, il suffit de linéariser la transformation de données pour une attitude de vol prédonnée par exemple en cas de vol en ligne droite horizontal. Une telle linéarisation permet alors d'utiliser une matrice d'impédence électrique pour effectuer la transformation de coordonnées. On peut en conséquence diminuer de façon notable la capacité d'ordinateur nécessaire.

Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, on utilise des magnétomètres à bobines de compensation. En alimentant la bobine de compensation avec un courant de compensation, on peut, de fanon simple, prédonner des positions de vol. Cette compensation analogue de zéro de champ magnétique permet salement de soulager l'ordinateur.

Les systèmes de pilotage et de stabilisation tels qu'ils viennent d'entre décrits en rf"rence au dessin annexé peuvent être réalisés dans la pratique au prix d'une dépense relativement faible et sous un encombrement réduit. Les coûts d'un tel système de pilotage sont de très loin inférieurs à ceux des systèmes de pilotage connus de rendement comparable. C'est pourquoi le système de pilotage selon l'invention se prete tout particulièrement à être utilisé pour équiper des engins volants sans équipage ainsi que des petits avions.

Le système de pilotage qui vient d'être décrit dans son utilisation avec un engin volant peut également être utilisé sur des bateaux, et notamment sur des petits bateaux, par exemple des voiliers, qui subissent des mouvements de roulis prononcés et dans lesquels le compas magnétique courant ne suffit pas pour fixer un cap avec la précision nécessaire.

Avec les systèmes de stabilisation, on a souvent besoin pour obtenir une stabilité dynamique suffisante des vitesses de variation des angles d'attitude. Pour ce faire, on a recours de façon particulièrement avantageuse à des bobines d'induction. Les signaux de sortie de la bobine d'induction triple solidarisée avec le véhicule sont dans ce cas soumises à la même transformation de coordonnées. La vitesse de variation d'un angle d'attitude est obtenue en liaison avec un capteur de valeurs de base. On peut prévoir à cette fin un autre capteur supplémentaire.

Nais on peut également obtenir la valeur de base par dérivation par rapport au temps du signal du capteur d'attitude supplémentaire. La dérivée par rapport au temps de ce signal peut être calculée dans le microprocesseur ou au moyen d'un dispositif électronique supplémentaire.

Claims

REVENDICATIONS

1. Système de pilotage et de stabilisation pour véhicules, notamment pour engins volants et bateaux, comportant un système de détermination d'attitude avec trois magnétomè tres montés de façon fixe dans le véhicule dont les axes dirigés dans le sens des axes du véhicule sont respectivement perpendiculaires l'un à l'autre, comportant des moyens pour transformer les coordonées de magnétomètre solidaires du véhicule en coordonnées géodésiques, et comportant un capteur d'attitude supplémentaire pour une information supplémentaire concernant l'une des trois attitudes de véhicule, caractérisé en ce que les signaux de sortie des magnétomètres et du capteur supplémentaire sont transmis à un microprocesseur dans lequel les signaux de magnétomètre transformés sont combinés aux valeurs de base du capteur supplémentaire, et dans lequel également sont calculées en fonction des valeurs pour un mouvement théorique prédonné les trensactions de régulation nécessaires pour le régulateur et le système d'asservissement du véhicule.
2. Système de pilotage et de stabilisation selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est mis en mémoire dans le microprocesseur en tant que valeurs réelles les données de champ magnétique terrestre valables pour la zone d'opération du véhicule, à savoir l'inclinaison, la déclinaison et l'intensité totale.
3. Système de pilotage et de stabilisation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on introduit en supplément dans le microprocesseur les informations d'un programme pour un déroulement de mouvement pré donné pour le véhicule intéressé.
4. Système de pilotage et de stabilisation selon la revendication 3, caractérisé en ce que le programme pour le déroulement du mouvement du véhicule est établi en fonction du temps.
5. Système de pilotage et de stabilisation selon la revendication 3, caractérisé en ce que le programme pour le déroulement du mouvement du véhicule est établi en fonction du lieu ou du parcours.
6. Système de pilotage et de stabilisation selon une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est prévu des magnétometres à compensation de décalage de zéro de champ magnétique, et en ce que les attitudes de consigne du véhicule sont réglables en alimentant la bobine de compensation de magnétomètre au moyen d'un courant. de compensation.
7. Système de pilotage et de stabilisation selon une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au lieu d'utiliser un système de magnétomètres à trois axes, on utilise un système de magnétomètres à deux axes pouvant pivoter de 900 autour de l'axe vertical par procédé mécanique.
8. Système de pilotage et de stabilisation selon une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour transformer les coordonnées, il est prévu une matrice d'impédance électrique.
9. Système de pilotage et de stabilisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la transformation des signaux de magnétomètres est effectuée dans le microprocesseur.
10. Système de pilotage et de stabilisation selon une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour améliorer la stabilisation du véhicule, on a recours aux vitesses de variation des angles d'attitude obtenues sous forme de signaux au moyen d'une bobine d'induction triple en liaison avec un émetteur de valeurs d'appui, ces signaux étant mis à la disposition du régulateur et du système d'asservissement sous la forme de tensions de régulation.
11. Système de pilotage et de stabilisation selon une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est prévu comme émetteur de valeurs de base pour la détermination de la vitesse de variation des angles de position le capteur de position supplémentaire, et en ce qu'on calcule en tant que valeur de base la dérivée par rapport au temps du signal du capteur de position supplément aire.
12. Système de pilotage et de stabilisation selon la revendication 10, caractérisé en ce qutil est prévu comme émetteur de valeur de base un autre capteur supplémentaire.