FR2485787A1 - Appareil stabilisateur de visee optique - Google Patents

Abstract

L'INVENTION A POUR OBJET UN APPAREIL STABILISATEUR DE VISEE OPTIQUE, COMPRENANT UN GYROSCOPE 3 A ROTOR EXTERNE 4 ET A CADRES INTERNES 6, 7, CENTRES EN UN POINT O. LE ROTOR PORTE UN OBJECTIF 5 PLACE SUR L'AXE DE VISEE OU. LES CADRES 6, 7 PORTENT RESPECTIVEMENT UN PRISME 17 ET UN MIROIR 18 QUI RENVOIENT UN RAYON INCIDENT D'ORIENTATION OU VARIABLE SUR UN DETECTEUR 2 SUIVANT UN AXE OX FIXE, PAR L'INTERMEDIAIRE D'UN DEUXIEME PRISME 19 FIXE. APPLICATION A LA POURSUITE OPTIQUE D'OBJETS RAYONNANTS OU ILLUMINES.

Description

La présente invention se rapporte aux appareils de réception ou d'émission de rayonnement optique, qui stabilisent au moyen d'un gyroscope la direction de réception d'un rayonnement émis ou réfléchi par un objet distant ou inversement, la direction d'un rayonnement émis par l'appareil pour illuminer un objet distant, malgré les mouvements et vibrations du support sur lequel est monté cet appareil.

Un tel appareil est utilisable dans un autodirecteur monté dans la tette d'un engin destiné à entre guidé vers une cible illuaSaée ou engendrant elle-mEme un rayonnement, ou encore dans un illuminateur pour stabiliser le faisceau émis et le pointer sur une cible à illuminer.

On connaet des appareils qui stabilisent au moyen d'un gyroscope un rayonnement émis ou reçu. Dans certains, le gyroscope, à cadres externes, porte une optique réfléchissante qui est liée mécaniquement à ceux-ci, savoir par une liaison de rapport 1 avec l'un es cadres et une liaison de rapport 1/2 avec l'autre cadre. Du fait du rapport 1/2, l'optique n'est pas astreinte au mouvement angulaire relatif du gyroscope autour d'un axe et l'inertie de l'ensemble optique perturbe les qualités de stabilisation du gyroscope au cours des mouvements angulaires autour de cet axe, de sorte qu'il est souvent nécessaire d'adjoindre un compensateur d'inertie pour conserver une bonne stabilité.Pour s'affranchir du rapport 1/2, il faut que l'optique, fixée rigidement au cadre externe du gyroscope à cardan externe (ou encore au rotor d'un gyroscope à cadres internes) soit placée à demi-focale. Néanmoins, un second inconvénient subsiste. L'optique portée par le gyroscope est une optique réfléchissante impliquant que le récepteur ou l'émetteur de rayonnement soit placé à l'avant de cette optique, ce qui rend délicate son implantation et surtout limite le débattement relatif entre cette optique et le récepteur ou l'émetteur de rayonnement. On connatt d'autres dispositifs où l'émetteur ou le récepteur et l'optique associée sont portés par le gyroscope. Mais d'autres inconvénients apparaissent du fait de la masse et de l'encombrement de l'émetteur ou du récepteur et du fait des liaisons électriques à assurer, qui dégradent la qualité de la stabilisation.

Afin de remédier à ces inconvénients, l'invention a pour objet un appareil stabilisateur de visée optique, comprenant un gyroscope à deux degrés de liberté, à deux cadres internes pivotant autour d'axes orthogonaux et à toupie externe, lequel, monté dans un bottier fixe par rapport à la structure porteuse de l'appareil et supporté par une queue normalement solidaire de ce bottier, porte un équipement optique sur lequel se réfléchit le faisceau lumineux émis ou reçu par l'appareil en vue de sa stabilisation suivant une direction déterminée dans l'espace extérieur à l'appareiL
Selon l'invention au premier cadre du gyroscope, sur lequel est montée et tourne la toupie de ce dernier, est fixé un dispositif optique réfléchissant qui conduit le faisceau, dont l'axe dans l'espace extérieur est confondu avec l'axe de rotation ou le moment cinétique de la toupie, à emprunter, à l'intérieur de cette dernière, un trajet coudé comportant une partie parallè àl'unds aKs & pivotement des cadrez passant par le centre du gyroscope ou au voisinage de ce point et aboutissant à un élément optique fixe d'émission ou de réception du faisceau. Le faisceau optique subit ainsi une stabilisation suivant un angle, par exemple l'angle de site. S'il s'agit d'un faisceau de réception, il ira frapper dans l'appareil un récepteur lié à la structure porteuse et, s'il s'agit d'un faisceau d'émission émanant d'une source lumineuse liée à cette dernière, il restera pointé sur un objet éloigné à illuminer, quels que soient les mouvements ou vibrations dont la structure est le siège.

On prévoira généralement un dispositif optique de titre, par exemple un objectif, situé entre le dispositif réfléchissant et ltespace extérieur et porté par la toupie, l'axe optique de ce dispositif optique étant confondu avec l'axe de rotation de la toupie, de sorte que la rotation de celle-ci ne perturbe pas le fonctionnement du dispositif optique qu'elle porte.

Dans une forme d'exécution préférée de l'invention, le dispositif réfléchissant coude le faisceau, à partir de l'espace extérieur, d'abord parallèlement à l'axe de pivotement du premier cadre, puis parallèlement à l'axe de visée suivant le sens de propagation dans l'espace extérieur, puis vers la région du centre parallèlement à l'axe de pivotement dudit cadre. Un tel dispositif comporte trois faces réfléchissantes. On pourrait aussi envisager l'utilisation de dispositifs plus simples, comportant un nombre de faces réfléchissantes inférieur à trois.

L'élément optique précité est alors monté de préférence dans la queue portant le gyroscope, sa surface sensible étant disposée dans un plan perpendiculaire ê l'axe de pivotement du premier cadre lorsque le gyroscope est en position canonique.

Dans une autre forme d'exécution, on peut en complément fixer au deuxième cadre du gyroscope, interne au premier cadre et pivotant directement sur la queue qui porte le gyroscope, un miroir, de préférence plan, coudant le faisceau entre une direction parallèle à l'axe de pivotement du premier cadre et une direction paral lèle à un premier axe fixe confondu avec l'axe de pivotement de ce deuxième cadre lorsque le gyroscope est en position canonique. La face réfléchissante de ce miroir passe de préférence par le centre du gyroscope. L'élément optique précité (émetteur ou récepteur) peut alors entre monté dans la queue portant le gyroscope, sa surface sensible étant disposée dans un plan perpendiculaire au premier axe fixe précité.

Dans une autre forme d'exécution, un troisième dispositif optique réfléchissant est monté dans la queue portant le gyroscope, entre le miroir et l'élément optique, pour couder le faisceau entre la direction parallèle au premier axe fixe précité et une direction parallèle à un deuxième axe fixe colinéaire à l'axe de visée lorsque le gyroscope est en position canonique.

Ce dispositif réfléchissant peut entre avantgeusement conçu pour couder le faisceau, à partir du miroir, d'abord parallèlement au deuxième axe fixe en direction de l'élément optique,puis vers cet axe parallèlement au premier axe fixe, puis de nouveau parallèlement au deuxième axe fixe pour fncontrer l'élément optique précite lequel est monté dans la queue portant le gyroscope, sa surface sensible étant disposée dans un plan perpendiculaire au deuxième axe fixe. Ici, encore, le dispositif réfléchissant pourrait présenter dans certains cas une structure simplifiée.

L'invention propose également de rendre l'appareil capable de supporter de fortes aocélérations.

A cet effet, la queue précitée ainsi que le gyroscope qu'elle porte sont susceptibles de reculer par rapport au bottier les contenant, la queue étant montée coulissante suivant son axe bngitudinal sans toutefois pouvoir tourner sur Selt7mEme autour de cet axe par rapport au bottier, lequel équipé d'une butée qui limite le recul de la queue et du gyroscope, le recul s'effectuant en comprimant un ressort Jusqu'à appui du premier cadre du gyroscope sur la butés bloquas ainsi les cadres du gyroscope en vue de soulager les axoe de pivotement des cadres lorsque l'appareil est soumis à de fortes accélérations longitudinales suivant le deuxième axe fixe précité; le gyroscope avance avec la queue et retrouve sa liberté lorsque l'accélération décrott au-dessous d'un niveau fixé. Cette butée est de préférence usinée intérieurement de en fo r coupelle ou de calotte sphérique avec un rayon identique au rayon d'usinage extérieur sphérique du premier cadre, afin de bloquer le gyroscope quelle que soit son orientation par rapport à son bottier dans les limites prévues pour les débattements mécaniques.

La description qui va suivre, en regard des dessins annexés à titre d'exemples non limitatifs, permettra de bien comprendre comment l'invention peut entre mise en pratique.

La figure l représente, en section longitudinale par un plan vertical, un appareil selon l'invention en position canonique.

La figure 2 représente une section suivant la ligne II-II de l'objet de la figure 1.

La figure 9 représente l'appareil de la figure 1, la direction de visée ayant changé en site.

La figure 4 représente une section suivant la ligne IV-IV de l'objet de la figure 1, la direction de visée ayant changé en azimut.

La figure 5 est un diagramme représentant schématiquement la marche d'un faisceau lumineux dans l'appareil.

La figure 6 représente, à la manière de la figure 1, une variante de l'appareil selon l'invention.

Le stabilisateur de visée 1 représenté est destiné à recevoir le rayonnement optique émanant d'un objet sur lequel il est pointé et à l'acheminer sur un détecteur 2. L'axe de visée OU est stabilisé5 atest- -dire asservi à rester dirigé vers l'objet précité quels que soient les déplacements de celui-ci et les mouvements ou vibrations dont est le siège la structure porteuse (par exemple un engin) de 1'appareil l. Cette stabilisation s'effectue à l'aide d'un gyroscope 3 équipé d'une optique appropriée qui sera décrite plus loin.

Le gyroscope 3, à deux degrés de libertéS est du type dit "à cadres internes". Il possède un rotor ou toupie 4 externe, ayant la forme générale d'un segment sphérique creux de centre O et portant un objectif 5 dont l'axe optique est colinéaire à l'axe de visée OU.

A l'intérieur du rotor 4 sont disposés un premier cadre 6 et un deuxième cadre 7 articulés à la Cardan Le rotor 4 est monté sur un roulement à billes 8 de diamètre relativement grand, lui-mEme monté sur le premier cadre 6 coaxialement à l'axe de visée OU, de sorte que le moment cinétique du rotor 4 coïncide avec ledit axe. Le rotor 4 est équilibré par un contrepoids 24.

Le premier cadre 6, présentant également la forme d'un segment sphérique creux centré de méme en O, peut pivoter autour d'un axe 0V (figure 2 perpendiculaire à l'axe OU,grtce à une paire de pivots 9 alignés sur cet axe qu'il possède et qui coopèrent avec une paire de roulements à billes 10, montés sur le deuxième cadre 7.

Ce cadre, de forme annulaire et placé concentriquement à l'intérieur du premier cadre 6, peut pivoter par rapport à ce dernier autour d'un axe OW (figures 1 et 2) perpendiculaire aux axes OU et OV gracie à une paire de roulements à billes ll alignés coopérant avec une paire de pivots 12 solidaires de l'extrémité 13a en forme de fourche d'une queue 13 fixe, liée par un flasque 14 au bottier 15 de l'appareil 1.

Le trièdre trirectangle OUVW définissant la position du gyroscope 3 est mobile du fait du pivotement des cadres 6 et 7 respectivement autour des axes OV et
OW. La mobilité de l'axe OU confondu avec l'axe de visée de l'objectif 5 permet de déplacer la visée dans l'espace, dans les limites des débattements mécaniques du gyroscope, ou de conserver fixe dans:l'espace la direction de visée malgré les mouvements angulaires du bottier 2, auquel est lié un autre trièdre trirectangle OXYZ. Lorsque le gyroscope 3 est en position canonique (figures 1 et 2), les trièdres OUVW et OXYZ sont confondus.

Le premier cadre 6 présente à l'avant une ouverture 16 pour laisser passer les rayons lumineux traversant l'objectif 5 et les conduire, via un trajet optique qui va entre précisé, au détecteur optique 2, fixé dans un alésage pratiqué dans la queue 13, sa surface sensible 2a étant disposée parallèlement au plan Oyez.

Le trajet optique que suit un rayon incident pour parvenir au détecteur 2 est défini par une succession ddléments réflecteurs comprenant un miroir 18 et des prismes 17, l9.

Le premier élément que le rayon rencontre est le prisme 17 (figure 4) comportant trois faces réfléchissantes 17a, 17b et 17c, perpendiculaires au plan des axes OU, OV et orientées à 450 par rapport à ces axes, lesquelles dévient le rayon successivement sur le côté, parallèlement à l'axe de pivotement OV du premier cadre 6 (venu en OV' sur la figure 4 du fait de la visée suivant un angle d'azimut < ), puis vers l'arrière, parallèlement à l'axe de visée OU (venu de même en OU'), puis vers le centre 0, parallèlement à l'axe OV' (dans le présent exemple, oolinéairement à cet axe).Dans certaines variantes, les angles des faces réfléchissantes du prisme 17 pourraient différer de la valeur de 450 par rapport à l'axe OU, à condition que le rayon moyen soit réfléchi parallèlement à l'axe 0V ou sur cet axe.

Le deuxième élément réflecteur est le miroir 18 (figures2 et 4) qui, situé dans le plan perpendiculaire au plan OVW passant par le centre 0 et oriente à 45 suivant la bissectrice de l'angle VOW. ,coude à 90 en O l'axe OZ confondu avec le rayon et le renvoie suivant/l'axe de pivotement OW du deuxième cadre 7 lorsque le gyroscope est en poston canonique.

Le troisième élément est le prisme 19 (figures; 1 et 3), interposé entre le miroir 18 et le détecteur 2. Il a pour rtle de ramener le rayon dans l'axe du détecteur 2 et comporte comme le prisme 17 trois faces réfléchissantes l9a, l9b et l9c orientées à 45 , qui amènent le rayon, après que celui-ci ait suivi sur une certaine longueur l'axe OZ, successivement à se diriger vers l'arrière parallèlement à l'axe OX, puis vers la région centrale parallèlement à l'axe OZ et enfin de nouveau vers l'arrière, parallèlement à l'axe
OX (ici colinéairement à cet axe), pour tomber sur la face sensible 2adu détecteur 2. Les angles que font les faces réfléchissantes du prisme l9 avec l'axe OZ pourraient eux aussi différer de 45 , car d'autres trajets optiques sont possibles qui respectent la condition que le rayon moyen soit ramené parallèlement à l'axe OX ou sur cet axe.

La marche du rayon lumineux à travers l'appareil est indiquée schématiquement sur la figure 5, où l'axe de visée OU" est supposé air subi une déviation Z en azimut et p en site (cette dernière étant de signe inverse à la déviation /3 indiquée sur la figure 3) à partir de la position canonique OU coïncidant avec l'axe OX. On constate que si l'angless varie seul, le rayon issu du premier prisme 17 reste fixe et colinéaire à l'axe OV'.Si l'angle varie également, ce rayon pivote avec l'axe OV' en balayant le plan OXY, tandis que le rayon issu du miroir 18 - miroir qui pivote avec l'axe OV' - reste fixe, confondu avec l'axe OZ, donc stabilisé par le gyroscope 3 et isolé des mouvements relatifs des trièdres OUVW et OXYZ. Selon les cas, on pourra placer le détecteur optique 2 soit sur l'axe OV', le miroir 18 étant omis, soit sur l'axe OZ en aval du miroir 18, le prisme 19 étant omis, soit sur l'axe OX comme représenté, en aval du prisme 19. Quel que soit son emplacement, le détecteur 2 est de préférence fixe et monté sur la queue 13 supportant le gyroscope 3 (donc non lié à l'axe OV' dans le premier cas).

Sur la figure 6 est représenté un perfeetion- nement de l'appareil, suivant lequel la queue 13 supportant le gyroscope 9 n1 est plus absolument fixe, mais peut coulisser longitudinalement dans la direction de l'axe OX par rapport au flasque fixe 14. A ce dernier est fixé, coaxialement à la queue 13 et à l'axe OX, une butée 20 en forme de calotte sphérique centrée, à très peu près, en O et de rayon égal à celui du premier cadre 6, parfaitement sphérique extérieurement. Lorsque le support 14, 15 dans lequel est monté l'appareil est soumis à une forte accélération appliquée suivant l'axe
OX, le gyroscope recule, la queue 13 coulissant dans la pièce 14, jusqu'à amener son premier cadre 6 en appui sur la butée 20.A la disparition de l'accélération, le gyroscope 3 est ramené vers l'avant et retrouve sa position normale, où un jeu existe entre le cadre 6 et la butée 20, sous l'action d'un ressort de rappel 21 sollicitant la queue 13 en direction du point 0, ce ressort étant comprimé durant la phase de recul.

Les caractéristiques du ressort 21 sont définies en fonction des forces d'accélération longitudinale prévisibles. Les dimensions de la butée 20 sont telles que le cadre 6 peut venir y prendre appui sur tout son pourtour quelle que soit son orientation autour du point 0 au moment de l'apparition de l'accélération. La faible épaisseur de la butée 20 permet à celle-ci de se loger en fonctionnement normal entre le cadre 6 et la toupie 4, sans toucher ces éléments. Pour empocher le gyroscope de pivoter autour de l'axe OX, la queue 13 est pourvue d'une clavette 22 coopérant avec une rainure de guidage 23 pratiquée en direction longitudinale dans le pied de la butée 20.

La possibilité de mise en appui du gyroscope ainsi obtenue permet à celui-ci de supporter des accélérations importantes, car les roulements de suspension 10, 11 des axes de pivotement de ses cadres se trouvent alors soulagés.

Le gyroscope 3 est évidemment pourvu de moyens (non représentés) permettent de commander les mouvements de précision qu'il doit accomplir et de relever à chaque instant la position du moment cinétique de sa toupie 4. Cette dernière est lancée en rotation par des moyens connus, également non représentés (moteur électrique à effet Hall, lanceur pneumatique ou pyro- technique, etc). Une fois la toupe 4 lancée, la direction
OU de son moment cinétique est maintenue éventuellement pendant un certain temps confondue avec la direction fixe OX (opération dite de "crantage") > puis orientée dans l'espace par commande de précession du gyroscope 3 autour des axes de pivotement OV et OW de ses deux cadres.

Les moyens utilisés pourkffectuer le crantage du gyroscope, puis pour commander sa précession sont avantageusement ceux décrits dans le brevet français n" 74/32 499, au nom de la demanderesse.

L'appareil décrit ci-desus à titre d'exemple est un appareil de réception, qui reçoit le flux lumineux issu d'un objet rayonnant ou illuminé vers lequel il est astreint à rester pointé, et dirige ce flux vers le détecteur 2. Un appareil d'émission envoyant un faisceau lumineux dans une direction stabalisée aurait exactement la même structure, le détecteur étant remplacé par une source de lumière appropriée émettant un faisceau qui traverserait l'appareil en sens inverse pour émerger dans lteEpace extérieur suivant l'axe OU. Une tdle source pourrait entre constituée par une diode laser.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1.- Appareil stabilisateur de visée optique, comprenant un gyroscope (3) à deux degrés de liberté, à deux cadres (6, 7) internes pivotant autour d'axes orthogonaux (OV, OW) et à toupie (4) externe, lequel, monté dans un bottier (15) fixe par rapport à la structure porteuse de 1'appareil et supporté par une queue (13) normalement solidiaire de ce bottier, porte un équipement optique sur lequel se réfléchit le faisceau lumineux émis ou reçu par l'appareil en vue de sa stabilisation suivant une direction déterminée dans l'espace extérieur à l'appareil, caractérisé par le fait qusau premier cadre (6) du gyroscope, sur lequel est montée et tourne la toupie (4) de ce dernier, est fixé un dispositif optique réfléchissant (17) qui conduit le faisceau, dont l'axe (OU.) dans l'espace extérieur est confondu avec l'axe de rotation de la toupie (4)9 à emprunter, à l'intérieur de cetté dernière, un trajet coudé comportant une partie parallèle à l'un des axes de pivotement (OV,OK des cadre (6,7), passant par le centre (0) du gyroscope ou au voisinage de point et aboutissant à un élément optique (2) fixe d'émission ou de réception du faisceau.

2.- Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'un dispositif optique 6)de tette, situé entre le dispositif réfléchissant (17) et l'espace extérieur, est porté par la toupie (4), l'axe optique de ce dispositif (5) étant confondu avec l'axe de rotation (OU) de la toupie.

3. - Appareil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que le dispositif réfléchissant (17) coude le faisceau, à partir de l'espace extérieur, d'abord parallèlement à l'axe de pivotement (0t du premier cadre (6), puis parallèlement à l'axe de visée (OU) dans le sens de propagation dans l'espace extérieur, puis vers la région du centre (O) parallèlement à l'axe de pivotement (OV) dudit cadre.

4.- Appareil selon la revendication 3, caractérisé par le fait que l'élément optique (2) précité est monté dans la queue (13) portant le gyroscope, sa surface sensible étant disposée dans un plan perpendiculaire à l'axe de pivotement (OV) du premier cadre (6) lorsque le gyroscope est en position canonique.

5.- Appareil selon b - - - - - - la revendication 3, caractérisé par le fait qu'au deuxième cadre (7), interne au premier cadre (6) et pivotant directement sur la queue (13) qui porte le gyroscope, est fixé un miroir (18), de préférence plan, coudant le faisceau entre une direction parallèle à l'axe de une direction parallèle pivotement (0v) du premier cadre (6) et/à un premier axe fixe (OZ) confondu avec l'axe de pivotement (OW) de ce deuxième cadre (7) lorsque le gyroscope est en position canonique.

6. - Appareil selon la revendication 5, carac trois par le fait que la face réfléchissante du miroir (18) passe par le centre (o) du gyroscope.

7.- Appareil selon la revendication 5 ou caractérisé par le fait que l'élément optique 2 précité est monté dans la queue (13) portant le gyroscope, sa surface sensible étant disposée dans un plan perpendiculaire au premier axe fixe (OZ).

8.- Appareil selon la revendication 5 ou 6, caractérisé par le fait qu'un troisième dispositif optique réfléchissant (19) est monté dans la queue (13) portant le gyroscope, entre le miroir (18) et l'élément optique (2), pour couder le faisceau entre la direction parallèle au premier axe fixe (OZ) et une direction parallèle à un deuxième axe fixe (OX) colinéaire à l'axe de visée (OU) lorsque le gyroscope est aven position canonique.

9.- Appareil selon la revendication 8, caractérisé par le fait que le dispositif réfléchissant (19) coude le faisceau, à partir du miroir (18), d'abord parallèlement au deuxième axe fixe (OX) en direction de l'élément optique (2), puis vers cet axe parallèlement au premier axe fixe (OZ), puis parallèlement au deuxième axe fixe (OX) pour encontrer l'élément optique (2) précité, lequel est monté dans la queue (13) portant le gyroscope, sa surface sensible étant disposée dans un plan perpendiculaire au deuxième axe fixe (OX).

10.- Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la queue (13) ainsi que le gyroscope qu'elle porte sont susceptibles de reculer par rapport au bottier les contenant, la queue étant montée coulissante suivant son axe longitudinal sans toutefois pouvoir tourner sur elle mEme autour de cet axe par rapport au bottier, lequel est équipé d'une butée (20) qui limite le recul de la queue et du gyroscope, le recul s'effectuant en comprimant un ressort jusqu'à appui du premier cadre (6) du gyroscope sur la butée (20).

11,- Appareil selon la revendication 10, caractérisé par le fait que la butée (20) est usinée intérieurement en forme de coupelle sphérique avec un rayon identique au rayon d'usinage extérieur sphérique du premier cadre (6).