FR2513373A1 - Perfectionnements apportes aux installations gyroscopiques de navigation assurant des fonctions de pilotage ou de stabilisation - Google Patents

Abstract

L'INSTALLATION COMPORTE UN CADRAN 1 MONTE TOURILLONNANT SUR LE VEHICULE AUTOUR D'UN AXE 2, UN PREMIER GYROSCOPE A DEUX AXES DE SENSIBILITE G MONTE SUR CE CARDAN 1, UN ACCELEROMETRE ASSERVI A DEUX AXES DE SENSIBILITE A MONTE SUR CE CARDAN 1, ET UN DEUXIEME GYROSCOPE F A AU MOINS UN AXE DE SENSIBILITE MONTE SUR CE CARDAN 1.

Description

Perfectionnements apportés aux installations gyroscopiques de navigation

assurant des fonctions de pilotage ou de stabilisation L'invention est relative aux installations gyroscopiques de navigation permettant, d'une part,

de connaître les paramètres caractérisant la tra-

jectoire d'un véhicule, et, d'autre part, d'assurer une fonction auxiliaire de pointage, soit du véhicule

lui-même, soit d'une partie de ce véhicule.

L'invention s'applique plus particulièrement,

mais non exclusivement, aux installations gyrosco-

piques de navigation pour véhicules terrestres (tels que véhicules blindés) et pour véhicules marins

(tels que torpilles).

Dans le cas d'un véhicule terrestre, la fonction au-

xiliaire de pointage consiste à orienter une arme por-

tée par le véhicule, alors que, dans le cas d'une tor-

pille, la fonction auxiliaire de pointage consiste

à piloter la torpille.

Pour de tels véhicules (véhicules blindés ou

torpilles), la navigation par inertie, telle qu'appli-

quée sur les véhicules aériens, s'avère d'un coût de fabrication élevé et, par surcroît, ne semble pas

être adaptée aux besoins, en particulier pour la fonc-

tion de pointage: en effet, le principe d'une telle navigation par inertie est basé sur l'utilisation de gyroscopes et d'accéléromètres, et les résultats fournis sont le fruit de l'intégration pure et simple des accélérations sans aucun apport d'une indication concernant la vitesse mesurée par rapport au milieu ambiant: les performances possibles (telles que celles obtenues grâce aux installations d'origine aéronautique dont la caractéristique est de l'ordre de un nautique/

heure) sont dérisoires pour un véhicule terrestre.

On a donc proposé, pour des véhicules terrestres et marins, des installations faisant appel aux vitesses mesurées par rapport au milieu ambiant, ces installations étant basées sur une intégration de ces vitesses scalaires mesurées en utilisant un repère directionnel

de cap et, éventuellement, un repère de la verticale.

C'est ainsi que l'on a proposé des installations très simples comportant des gyroscopes libres utilisés comme repères de la verticale, et des gyroscopes libres utilisés comme conservateurs de Nord; cependant, les mesures obtenues sont relativement peu précises, en

raison de caractéristiques directionnelles peu précises.

On a aussi proposé des installations plus complexes comportant, d'une part, un gyroscope à suspension filaire

utilisé en chercheur de Nord à l'arrêt du véhicule ter-

restre, et, d'autre part, un gyroscope,dit "direction-

nel", à deux degrés de liberté stabilisant un système à deux cardans et utilisé pendant la marche du véhicule: à partir des indications fournies par ces deux éléments, et par une mesure de la vitesse par rapport au milieu ambiant, il est alors possible de réaliser une mesure relativement précise des déplacements, de trouver et de garder le cap avec des erreurs de l'ordre de 1 mrd

et 1 mrd/heure, respectivement.

De toute façon, les installations dont il vient d'être question ci-dessus ne permettent que de connaître,

et éventuellement de contrôler,les paramètres carac-

térisant la trajectoire du véhicule et les systèmes gyro-

métriques permettant-d'assurer la fonction auxiliaire de pointage ou de pilotage sont distincts (cas de positions, dans le véhicule, différentes, ou cas de bandes

passantes différentes).

Ces systèmes sont d'ailleurs implantés en des endroits

différents du véhicule, suivant la nature de ce véhicu-

le et la nature de la fonction auxiliaire de pointage

(par exemple la stabilisation d'un canon).

L'invention a précisément pour but une installation gyroscopique de navigation regroupant, dans un même appareillage, les éléments qui permettent, d'une part, de contrôler les paramètres caractérisant la trajectoire linéaire du véhicule avec des bonnes performances (par exemple mesure de l'azimut avec une dérive égale ou inférieure à 1 degré/heure, repérage de la verticale au dixième de degré), et, d'autre part, d'assurer une fonction auxiliaire de pointage comme définie précédemment avec une bande passante élevée comme l'exige ce genre de fonction et une grande sensibilité angulaire (par exemple une bande passante des organes senseurs de 30 à 50 Hz et une sensibilité angulaire à court terme égale ou inférieure à 0,3 mrd), ce qui correspond aux caractéristiques nécessaires

pour stabiliser un canon.

Il est bien connu que des solutions de ce type ont déjà été décrites ou développées: il s'agit de systèmes à deux ou trois gyroscopes (deux ou trois selon que l'on utilise la technologie des gyroscopes à un ou deux degrés de liberté) qui présentent les axes de sensibilité selon un trièdre trirectangle,

et liés au véhicule.

Cette disposition impose aux toupies des gyroscopes d'accompagner tous les mouvements angulaires du véhicule grâce à des bouclages gyrométriques électroniques très

raides (environ 50 Hz de bande passante).

Ces systèmes s'opposent aux systèmes plus anciens qui, au contraire, utilisaient trois cardans stabilisés successifs (roulis, tangage et azimut par exemple), le

cardan le plus central portant les gyroscopes qui é-

taient alors utilisés en appareil de zéro pour ce qui

est de la mesure des vitesses angulaires.

Selon des solutions plus récentes, les boîtiers des gyroscopes sont liés à la structure du véhicule on s'efforce de réaliser la fonction navigation tout en utilisant les mesures gyrométriques disponibles pour une fonction de pointage avec une bande passante élevée; cependant, ces solutions ont pour défaut majeur des couplages très complexes quand, partant des mesures analogiques, délivrées par les gyroscopes, on essaie de

recalculer l'attitude du véhicule (cap, roulis,tangage).

Il est donc nécessaire de procéder à l'exécution de calculs très compliqués, qui ne sont possibles que sur un ordinateur miniaturisé embarqué (calculs de 300 000 opérations par seconde),calculs à effectuer en

double longueur (typique 32 bits) Il faut donc compen-

ser en temps réel, à 10 près, les dérives de mouvement conique qui apparaissent dès que chaque axe d'entrée

de chaque gyroscope décrit un cône, dérives dont les or-

dres de grandeur sont de quelques milliers de degré/heure, même si les mouvements angulaires alternatifs du véhicule

sont de l'ordre de quelques degrés.

Le but de l'invention est donc un agencement gyros-

copique intermédiaire entre les techniques rappelées ci-

dessus, cet agencement faisant appel à un cardan unique

asservi par un seul axe de sensibilité.

Les calculs à réaliser sont alors très simples et nécessitent peu de précisions: ces calculs peuvent donc

être exécutés en calculs analogiques ou en technique digi-

tale simple par comptage/décomptage.

L'invention a également pour but une installation

qui n'impose aucune limitation de position quant à l'at-

titude du véhicule (torpille à axe vertical par exemple).

L'installation conforme à l'invention a aussi

pour but: -

un système donnant une attitude du véhicule dans les axes terrestres (azimut, roulis, tangage), ce système étant couplé à une mesure de vitesse vis-à-vis du milieu

ambiant (loch, chenille), ce système permettant de réa-

liser la fonction navigation, un système capable d'exécuter la fonction auxiliaire de pointage (stabilisation et conduite de tir d'une

arme sur véhicule terrestre ou pilotage d'une torpille).

Selon l'invention, l'installation de guidage comporte les éléments suivants: un cardan monté tourillonnant sur le véhicule autour d'un axe, un premier gyroscope à deux axes de sensibilité monté sur ce cardan, de sorte que l'un de ses deux axes de sensibilité (axe de sensibilité en azimut) soit orthogonal à l'axe longitudinal du véhicule, l'autre axe de sensibilité de ce premier gyroscope (axe

de sensibilité en roulis) étant parallèle à l'axe lon-

gitudinal du véhicule, et de sorte que l'axe de rotation

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de sa toupie soit maintenu dans un plan horizontal,

un accéléromètre asservi à deux axes de sensibi-

lité monté sur ce cardan, de sorte que l'un de ses deux axes (axe de sensibilité en tangage) soit parallèle à l'axe longitudinal du véhicule, et l'autre axe de sensibilité (axe de sensibilité en roulis) soit parallèle à l'axe de rotation du premier gyroscope, cet accéléromètre asservi délivrant deux signaux analogiques S Ax et SA y, représentatifs de la mesure des accélérations selon les deux susdits axes de sensibilité;

et un deuxième gyroscope à au moins un axe de sensibi-

lité (axe de sensibilité en-tangage) monté sur ce cardan,

de sorte que cet axe de sensibilité en tangage soit paral-

lèle à l'axe de rotation du premier gyroscope, donc soit horizontal. Ceci étant, ces éléments coopèrent entre eux de la façon suivante:

les détecteurs de position en azimut du premier gyrosco-

pe asservissent le moteur couple de précession en azimut du premier gyroscope, et donnent une indication qui est

exploitée, d'une part, pour obtenir les paramètres d'azi-

mut caractérisant la trajectoire du véhicule (vitesse

angulaire Q 2 z), et, d'autre part, pour obtenir la fonc-

tion auxiliaire de pointage en azimut (pilotage du véhicule genre torpille ou bien stabilisation de l'arme en azimut);

les détecteurs de position en roulis du premier gyrosco-

pe asservissent le moteur d'asservissement en roulis du cardan;celui-ci entraîne le stator d'un détecteur angulaire de position en roulis, et donnent des indications qui sont exploitées pour obtenir la fonction auxiliaire de pointage en roulis (par exemple le pilotage en roulis nul); le détecteur de position en tangage du deuxième gyroscope asservit le moteur couple de précession en tangage du deuxième gyroscope et donne une indication (mesure 52 x) qui est exploitée pour obtenir la fonction auxiliaire de pointage en tangage (vitesse angulaire de tangage ou calcul du tangage);

le signal d'inclinaison en roulis SA de l'accélé-

romètre (après correction de l'effet centrifuge Q% V) est utilisé pour niveler, par précession, l'axe de ro- tation du premier gyroscope (ce qui provoque une rotation lente du cardan autour de l'axe de sensibilité en roulis de ce premier gyroscope);

le signal d'inclinaison en tangage S Ay de l'accélé-

l O romètre (signal qui,à court terme, présente un bruit) indique à long terme (si il est filtré) le tangage; le deuxième gyroscope indique une vitesse exacte à court terme S 2 qui est la vitesse de tangage; ce, grâce à quoi, la complémentarité des spectres des signaux S Ay et Sx permet de réaliser une boucle de calcul analogique ou digital conduisant à une valeur calculée du tangage qui est à peu près exacte dans toute la gamme du spectre, à long terme et à court terme. Le deuxième gyroscope peut être constitué par un gyromètre, par un gyroscope flottant à un degré de liberté bouclé électriquement en gyromètre, ou par un gyroscope à deux axes de sensibilité dont un seul est exploité (gyroscope bouclé électriquement en gyromètre

sur ses deux axes).

Le premier gyroscope G est bouclé autour de son axe de sensibilité en azimut G (axe pseudo-vertical) de manière à donner la valeur gyrométrique mesurée (G Z)m* Par ailleurs, ce premier gyroscope G est bouclé sur le cardan autour de son axe de sensibilité en roulis G Y Ce fonctionnement en bouclage autour de l'axe Gy conviendrait si le véhicule évoluait dans le seul plan horizontal (tangage nul) pour maintenir l'axe de rotation SG du premier gyroscope G

à l'horizontale.

Ce premier gyroscope G reçoit une précession

calculée 2 z tg(Ta) c.

Dans les virages (trajectoire du véhicule assimilable localement à une hélice), il se produit une vitesse (M)M non nulle et un tangage (Ta)c non

nul également.

La nécessité de maintenir l'axe de rotation SG

à court terme, dans un plan horizontal, fait que le cou-

ple global de précession doit être horizontal.

Le gyroscope G doit donc recevoir, sur son moteur couple de précession en roulis M Gy" le couple H(S)m tg(Ta) c, formule dans laquelle: H est le moment cinétique du gyroscope G, (Q Z)m est la mesure gyrométrique,

(Ta) c est le tangage calculé.

Grâce à cette disposition, les axes sensibles GZ et GX décrivent des cônes extrêmement plats (dérive de mouvement

conique nulle pour lesdits axes sensibles).

L'invention consiste, mises à part les dispositions dont il vient d'être question ci-dessus, en certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en même temps, et qui seront plus explicitement décrites ciaprès. L'invention pourra, de toute façon, être bien

comprise à l'aide du complément de description qui

suit ainsi que des dessins ci-annexés, lesquels complément et dessins sont relatifs à un mode de réalisation préféré de l'invention et ne comportent,

bien entendu, aucun caractère limitatif.

La fig 1, de ces dessins, est une vue schématique en perspective, montrant les éléments constitutifs de

l'installation selon l'invention.

Les fig 2 à 4 sont respectivement trois schémas montrant la façon dont coopèrent entre eux les éléments

constitutifs de l'installation représentée à la fig 1.

La fig 5 est un schéma explicatif du fonctionnement

de l'installation selon l'invention.

La fig 6 illustre, dans les mêmes conditions que

la fig 1, une variante de l'invention.

Sur la fig 1, on a montré, schématiquement, les éléments constitutifs d'une installation gyroscopique de navigation montée sur un véhicule et permettant, d'une part, de connaître les paramètres caractérisant la trajectoire de ce véhicule, et, d'autre part, d'assurer une fonction auxiliaire de pointage (ou d'aide au pointage) d'une partie au moins de ce véhicule. Ce véhicule n'est pas représenté dans son ensemble, mais on a montré son axe longitudinal 2. S'il s'agit d'un véhicule terrestre, par exemple

un engin blindé tel qu'un char, la fonction de l'ins-

tallation de navigation est, d'une part, de connaître les paramètres caractérisant sa trajectoire sur le terrain, et, d'autre part, d'assurer une fonction auxiliaire d'aide au pointage de l'arme portée par

la tourelle du véhicule blindé, c'est-à-dire un poin-

tage de l'arme en azimut, et en site absolus, cette aide pouvant, par exemple, consister à anticiper les

erreurs de traînée de vitesse des moteurs qui stabi-

lisent l'arme lors des mouvements rapides du châssis du véhicule, ces erreurs de traînée de vitesse étant dues à leur force contreélectromotrice et aux forts

rapports de pignonnage (fort couple).

S'il s'agit d'un véhicule marin, par exemple un engin du genre d'une torpille, la fonction de l'installation de navigation est, d'une part, de contrôler les paramètres caractérisant sa trajectoire dans le milieu liquide, et, d'autre part, d'assurer une fonction auxiliaire de pointage de la torpille, c'est-à-dire un pilotage de la torpille en azimut, en roulis et en tangage, d'après un programmateur

interne d'évolutions souhaitées.

Cette installation comporte,

un cardan unique 1 monté tourillonnant par l'inter-

médiaire de paliers 5 sur le véhicule autour d'un axe longitudinal 2, ledit cardan étant solidaire d'un

moteur d'asservissement en roulis My et d'un-détec-

teur angulaire de position en roulis Pyr un premier gyroscope à deux axes de sensibilité G monté sur ce cardan 1 de sorte que l'un de ses deux axes de sensibilité (axe de sensibilité en azimut GZ) soit orthogonal à l'axe 2 du véhicule, l'autre axe de sensibilité (axe de sensibilité en roulis Gy) étant parallèle à l'axe longitudinal 2 du véhicule, et de sorte que l'axe de rotation SG de sa toupie ( 7)

soit maintenu dans un plan horizontal.

un accéléromètre asservi à deux axes de sensibilité A monté sur ce cardan 1, de sorte que l'un de ses deux axes de sensibilité (axe de sensibilité en tangage Ay) soit parallèle à l'axe longitudinal 2 du véhicule, l'autre axe de sensibilité (axe de sensibilité en roulis AX) étant parallèle à l'axe de rotation SG du premier gyroscope G,

et un deuxième gyroscope F à au moins un axe de sensi-

bilité (axe de sensibilité en tangage G X) monté sur ce cardan 1 de sorte que cet axe de sensibilité en tangage GX soit parallèle à l'axe de rotation SG de la toupie ( 7) du

premier gyroscope G, donc soit horizontal.

L'accéléromètre asservi A délivre deux signaux S Ax et S Ay représentatifs de la mesure des accélérations selon les deux susdits axes de sensibilité en roulis A et en tangage A Sur la fig 2, on a montré deux fois le premier gyroscope G, dans deux coupes effectuées respectivement perpendiculairement à son axe de sensibilité en azimut Gz et perpendiculairement à son axe de sensibilité en roulis GY' Ce premier gyroscope G comporte une toupie 7 portée par un arbre 8 par l'intermédiaire d'un joint de HOOCKE 9, cet arbre 8 étant maintenu par des paliers 10. La position de la toupie 7 est contrôlée, par deux détecteurs de position en azimut DGZ par deux détecteurs de position en roulis DGY' par un moteur couple de précession en azimut MGZ et par un moteur couple de précession en roulis MGY' Sur la fig 3, on a montré le deuxième gyroscope F dans une coupe perpendiculaire à son axe de sensibilité

en tangage Gx.

Ce deuxième gyroscope F est supposé être un gyroscope à deux axes de sensibilité dont seul l'axe

de sensibilité en tangage GX est utilisé.

Ce deuxième gyroscope F présente alors une struc-

ture analogue à celle du premier gyroscope G et il

comporte une toupie Il portée par un arbre 12 par l'in-

termédiaire d'un joint de HOOCKE 13, cet arbre 12

étant maintenu par des paliers 14.

La position de la toupie 11 est contrôlée, par deux détecteurs de position en tangage DFX,

et par un moteur couple de précession en tangage MFX.

Sur la fig 4, on a montré l'accéléromètre A dans une coupe par un plan contenant ses deux axes de

sensibilité en tangage Ay et en roulis Ax.

Cet accéléromètre A comporte une masse asservie dont la position est contrôlée, par deux détecteurs de position en tangage DAY, par deux détecteurs de position en roulis DA, et par deux enroulements d'asservissement EAX AY Les-deux détecteurs de position en azimut DGZ du premier gyroscoope G asservissent, par l'intermédiaire d'un dispositif électronique 16 assurant notannent la fonction amplificateur alternatif puis démodulateur, le moteur couple de précession en azimut MGZ du

premier gyroscope G (fig 2).

Ces deux détecteurs de position en azimut DGZ donnent, toujours par l'intermédiaire du dispositif électronique 16, la mesure gyrométrique Sn qui est -exploitée, d'une part, dans un dispositif de mesure 17, pour

obtenir les paramètres d'azimut caractérisant la tra-

jectoire du véhicule (ce dispositif de mesure 17 assure une intégration spatiale de la vitesse 2 z combinée à la valeur de tangage Ta, de la forme t ;Z dt) cos Ta __ _ _ d et, d'autre part, dans un dispositif de mesure 18 ou 19 pour obtenir la fonction auxiliaire de pointage en azimut (fonction auxiliaire de pointage en azimut de l'arme portée par la tourelle du véhicule terrestre, c'est-à-dire aide au pointage de l'arme en azimut, ou fonction auxiliaire de pointage en azimut de la torpille,

c'est-à-dire pilotage de la torpille en azimut).

Les deux détecteurs de position en roulis DGY du premier gyroscope G asservissent, par l'intermédiaire d'un dispositif électronique 20 assurant notamment la fonction amplificateur alternatif puis démodulateur, le moteur d'asservissement en roulis My du cardan 1

(fig 1).

Ce moteur d'asservissement My entraîne mécaniquement le détecteur de position en roulis Py du cardan 1, qui donne, pour la fonction de pointage, l'angle de roulis. Ces deux détecteurs de position en roulis DGY donnent, toujours par l'intermédiaire du dispositif électronique 20 et du cardan 1, des indications qui sont exploitées, dans un dispositif de mesure 21 ou 22 pour obtenir la fonction auxiliaire de pointage en roulis Il peut s'agir d'une fonction auxiliaire de pointage en site de l'arme portée par la tourelle du véhicule terrestre (dans ce cas, l'axe primaire du cardan 1 est disposé transversalement par rapport à la ligne de foi du véhicule), ou bien d'une fonction auxiliaire de pointage en roulis de la torpille,

c'est-à-dire pilotage de la torpille en roulis.

Le signal SA délivré par l'accéléromètre A est envoyé en précession lente sur le moteur couple de précession en roulis M du gyroscope G pour niveler son axe de rotation SG et pour maintenir le cardan 1 vertical quels que soient les mouvements angulaires du véhicule Le signal SA transite par x un filtre passe bas FPB avant d'être dirigé vers le susdit moteur couple MGY' Le moteur couple de précession en roulis MGY du gyroscope G (moteur couple qui nivelle l'axe de rotation SG de ce gyroscope G) reçoit, en plus du signal S Ax provenant de l'accéléromètre A (signal S Ax éventuellement corrigé de l'accélération centri- fuge dans les virages, soit S Z V, 2 z étant la vitesse angulaire d'azimut et V la vitesse axiale du véhicule), un autre type de signal de précession qui est à haute bande passante alors que le signal

S Ax est filtré par le filtre passe bas FPB.

Ce signal (voir fig 2) est de la forme 2 z tg Tac, formule dans laquelle 2 z est la mesure du gyroscope G autour de son axe Gzz et Tac le

tangage calculé issu d'une boucle de calcul indépen-

dante et dont il sera plus explicitement question ci-après Ce calcul résulte d'un couplage optimal des

mesures GX et SAY autour de l'axe de tangage.

Il est en effet indispensable de calculer le signal Qz tg Tac; si l'on considère un véhicule décrivant une hélice descendante, sa ligne de foi étant la tangente à cette hélice descendante inclinée de l'angle de tangage Ta sur le plan horizontal (voir fig 5), l'axe de rotation SG du gyroscope G étant maintenu horizontal, il doit donc décrire un plan

horizontal.

Le couple de précession global qui s'exerce sur la toupie du gyroscope G lorsque le véhicule tourne en azimut doit donc aussi être horizontal L'axe d'action du moteur couple de précession en azimut MGZ du gyroscope G est alors incliné d'un angle de Ta sur l'horizontale, et il fournit, par la boucle

de-précession en tangage, un couple HQ 2 non horizontal.

Il faut donc appliquer un couple H Qz tg Ta simultanément sur le moteur couple de précession en roulis MGY" et ceci afin que le couple globalement appliqué par les moteurs couples de précession en tangage MGZ et en roulis M soit un couple horizontal, et que donc l'axe de rotation S G reste horizontal

durant tout le virage du véhicule Les mouvements al-

ternatifs de lacet du véhicule pouvant avoir une fréquen-

ce de l'ordre du Hz (lors d'une descente), le calcul du terme Sz t (Ta), doit être fait à haute bande passante (de l'ordre de 20 Hz). Toutefois, le calcul peut n'avoir qu'une très faible précision: par exemple 1 % d'erreur pour 30 de lacet à un Hz et une pente de 120 = 0,2 rd, n'entraîne qu'une erreur alternative de + 0,3 ' sur l'horizontalité de l'axe de rotation SG du gyroscope G, donc une erreur

négligeable ( 1 % de 0,2 x 180 ' = 0,3 ').

Un calcul analogue, pour un virage de 90 du véhi-

cule avec une pente constante de 120 connue à 1 % près,donne une erreur d'horizontalité de 10 ' environ, ce qui est encore très acceptable puisque cela correspond

à 0,18 .

D'ailleurs, cette erreur d'horizontalité disparaîtra

lentement dès que le véhicule reprendra un parcours rec-

tiligne, du fait de la précession lente due à l'action

du signal SA sur le moteur couple de précession en rou-

lis du gyroscope G. Les deux détecteurs de position en tangage DFX du deuxième gyroscope F asservissent, par l'intermédiaire d'un dispositif électronique 23 assurant notamment la fonction amplificateur alternatif puis démodulateur, le moteur couple de précession en tangage MFX du deuxième gyroscope F générant la vitesse angulaire mesurée

ç 2 (fig 3).

Ces deux détecteurs de position en tangage DFX donnent, toujours par l'intermédiaire du dispositif électronique 23, et par l'intermédiaire d'un dispositif sommateur 24 recevant un signal de correction dont il sera plus explicitement question ci-après, la mesure

2 corrigée d'une erreur fixe (dérive du gyroscope éven-

tuellement) qui est exploitée, dans un dispositif de mesure 25 ou 26, pour obtenir la fonction auxiliaire de pointage en tangage Il peut s'agir d'une fonction auxiliaire de pointage en devers du plan de visée de l'arme portée par la tourelle du véhicule terrestre

(si l'axe primaire du cardan 1 est disposé transversa-

lement), ou bien d'une fonction auxiliaire de pointage en tangage de la torpille, c'est-à-dire pilotage de la torpille en tangage Les deux détecteurs de position en tangage DAY de l'accéléromètre A asservissent la masse 15 de l'accéléromètre A selon l'axe de tangage, et mesurent l'accélération selon l'axe de sensibilité en tangage Ay (signal SA) Ceci est possible grâce à l'envoi d'un courant continu dans l'enroulement d'asservissement

EAY de l'accéléromètre.

Le signal SA est exploité pour coopérer avec les deux autres mesures suivantes: mesure de la vitesse angulaire S? de tangage à large

bande passante et exacte à court terme, mais dont l'in-

tégration dériverait à long terme (dérive fixe inconnue du gyroscope G), ce qui rend impossible une indication de tangage calculé; mesure de la vitesse linéaire axiale du véhicule VEY connue par rapport au milieu ambiant, cette mesure

étant constituée par une valeur bruitée mais sans di-

vergence à long terme.

En effet, la mesure accélérométrique S Ay est la somme des quatre termes suivants: une accélération "basse fréquence" correspondant aux variations de vitesse V du véhicule, une accélération "bruit"r correspondant aux vibrations, aux accélérations rapides dues au roulis et au tangage du véhicule, à des variations de vitesses non perçues par le capteur de vitesse externe, une accélération correspondant à la composante de la gravité, g-sin Ta, Ta désignant le tangage vrai, une "accélération parasite"r SAY correspondant à une erreur de zéro de l'accéléromètre A. On constate donc que, si l'on retranche du signal SA la dérivée de la vitesse VEY' seul subsiste le y

signal g sin Ta + "accélération bruit" + "accéléra-

tion parasite EAY" Ce nouveau signal est filtré par un filtre passe bas (temps de filtrage supérieur à 30 secondes) et permet d'obtenir une valeur moyenne exacte du tangage; cette valeur est cependant inexacte à court terme pour les fréquences de l'ordre du Hz par exemple (fréquences correspondant à la suspension du véhicule). Au contraire, l'intégration pure et simple de la mesure gyrométrique SX (généralement linéaire à 104 près) donnerait un reflet exact des mouvements de tangage

rapide ( 6 à 1 Hz par exemple), mais divergerait linéai-

rement à long terme, pour atteindre une divergence de

l m rd en 60 secondes. On constate donc que le temps pendant lequel on peut compter sur le

gyroscope G pour calculer le tangage peut atteindre 60 secondes, voire même quelques minutes, ce qui permet à l'accéléromètre A, qui délivre le signal S Ay filtré, de percevoir la dérive linéaire qui apparaît

sur le tangage Ta.

L'accéléromètre A peut donc compenser la dérive fixe du gyroscope G, ce qui permet d'ailleurs d'améliorer le temps pendant lequel on peut compter sur le gyroscope

seul pour calculer le tangage.

Inversement, si le véhicule se déplace sur un sol horizontal, l'intégration du signal SA, qui devrait donner à chaque instant la vitesse VEY ne la donne pas en raison de l'accélération parasite c AY' La différence existant donc entre VEY et rt ft (S Ay g sin Ta)dt permet de corriger l'erreur de zéro de l'accéléromètre

A à mieux que 10 g, et ce grâce à un terme propor-

tionnel à cet écart (coefficient k A).

La fig 3 montre donc le principe de bouclage en gyromètre utilisé sur l'axe de sensibilité en

tangage GX du deuxième gyroscope F, grâce à l'amplifi-

cateur alternatif-démodulateur 23.

La fig 4 montre un bouclage continu de type analogique ou digital, utilisant les trois signaux d'information SAX, nx et VE Y Le signal S Ay est intégré par la cellule 27 qui

délivre un signal Vy correspondant à la vitesse iner-

tielle estimée.

Le signal Vy est combiné dans une cellule 28, avec le signal VEY (vitesse axiale linéaire du véhicule) pour former un signal de détection SDET de divergence et de correction correspondant à la dérive de l'accéléromètre A et à la dérive du deuxième gyroscope F. Ce signal de détection SDET est envoyé dans une cellule 29 qui reçoit le coefficient k A

représentant le terme proportionnel dont question ci-

dessus, dans une cellule 30 qui calcule la dérive fixe du

gyroscope.

La cellule 29 délivre un signal représentant l'accé-

lération parasite úAY qui est combiné, à des fins de correction, au signal SA avant son entrée dans la y

cellule 27.

La cellule 30 délivre un signal représentant la

dérive du g y r o S c o p e Ce signal est com-

biné au signal úQ (provenant de la cellule 23 associée x au deuxième gyroscope G), qui est lui-même faussé par une erreur fixe A o Le signal résultant de cette combinaison est intégré dans la cellule 31 dont la sortie délivre le tangage calculé (Ta)c Une cellule 32 élabore le signal g sin (Ta)c qui est mélangé au signal úAY représentant l'accélération parasite, avant combinaison de ce signal avec le

signal S Ay.

Dans ces conditions, on constate que l'accéléromètre A donne une justesse à long terme pour le signal du tangage calculé (Ta)c, le deuxième gyroscope F donne une justesse à très court terme du tangage réel (reproduction exacte des mouvements angulaires rapides), l'accéléromètre A contribue à estimer la dérive du signal du gyroscope au bout de quelques minutes, la vitesse externe VEY sert à corriger automatiquement, après quelques minutes de fonctionnement de la boucle, la valeur du signal S Ay faussée par le signal EAY (erreur

de zéro de l'accéléromètre).

Un tel schéma de bouclage est très simple et il est rendu possible par le fait que l'axe de sensibilité en tangage GX du premier gyroscope G est maintenu toujours horizontal, et que l'axe de sensibilité en tangage GX du premier gyroscope G décrit des mouvements coniques ultra plats (à aire en stéradian nulle, donc dérive conique nulle

de cet axe).

De même, le calcul de cap est effectué par une formule simple de type (intégration de la mesure d'un

gyroscope fictif Gz F, d'axe sensible vertical qui me-

surerait Q z voir fig 5).

cos Ta t K = k + _ _ dt (ST sin L + B) (t-to), cos (Ta)c o formule dans laquelle K est le cap, Ko est le cap initial, ç 2 sin L est la composante verticale de la rotation terrestre, B est la balourd de la toupie du premier gyroscope G,

t est le temps.

Cette formule est applicable du fait que l'axe de

rotation SG du premier gyroscope G est maintenu horizon-

tal, ce qui entraîne la nullité de la dérive du mouvement conique autour de l'axe de sensibilité en azimut du gyroscope fictif Gz, (mouvement conique de l'axe Gz, d'aire nulle en stéradian dans l'espace terrestre

quels que soient les mouvements de la caisse du véhicule).

Selon la variante de l'invention illustrée sur la fig 6, sur laquelle les mêmes chiffres de référence désignent les mêmes organes que sur la fig 1, le deuxième gyroscope F, à deux degrés de liberté, est monté mobile sur le cardan 1, pour pouvoir occuper deux positions,,r O "r et "it", diamétralement opposées, et, ce par pivotement autour d'un axe parallèle à l'axe de sensibilité en azimut GZ du premier gyroscope G. Lorsque le véhicule est immobile, on utilise alors les deux axes de sensibilité GX et Gy, de ce deuxième

gyroscope F pour mesurer, en utilisant ce deuxième gy-

roscope F, en gyromètre S cos L cos K + d X position O S cos L cos K O d X position X c cos L sin Ko +dy position O 52 cos L sin Ko -dy position u

* 2 cos L désignant la composante horizontale de la ro-

tation terrestre, Ko désignant le cap initial, d X et dy désignant les dérives fixes du deuxièmee gyroscope F. Ceci permet alors de calculer la valeur du cap initial K et d'éliminer les dérives fixes du deuxième gyroscope o F. Selon le mode de réalisation de l'invention illustré sur la fig 1, l'axe de pivotement 2 du cardan 1 est

parallèle à l'axe longitudinal du véhicule.

Selon une variante non représentée de l'invention,

l'axe de pivotement du cardan pourrait être disposé trans-

versalement par rapport à l'axe longitudinal du véhicule, cette variante paraissant particulièrement intéressante à appliquer dans le cas de la stabilisation d'une arme

à feu.

Claims (8)

REVENDICATIONS

1. Installation gyroscopique de navigation montée sur un véhicule et permettant, d'une part, de connaître

les paramètres caractérisant la trajectoire de ce véhi-

cule, et, d'autre part, d'assurer une fonction auxiliaire de pointage d'une partie au moins de ce véhicule, -caractérisée par le fait qu'elle comporte, en combinaison, les éléments suivants: un cardan ( 1) monté tourillonnant sur le véhicule autour d'un axe ( 2), un premier gyroscope à deux axes de sensibilité (G) monté sur ce cardan ( 1), de sorte que l'un de ses deux axes de sensibilité (axe de sensibilité en azimut GZ) soit orthogonal à l'axe longitudinal ( 2) du véhicule, l'autre axe de sensibilité (axe de sensibilité en roulis Gy) étant parallèle à l'axe longitudinal ( 2) du véhicule, et de sorte que l'axe de rotation (SG) de sa toupie ( 7) soit maintenu dans un plan horizontal, un accéléromètre asservi à deux axes de sensibilité (A) monté sur ce cardan ( 1), de sorte que l'un de ses

deux axes (axe de sensibilité en tangage AY) soit paral-

lèle à l'axe longitudinal ( 2) du véhicule, et l'autre axe de sensibilité (axe de sensibilité en roulis Ax)

soit parallèle à l'axe de rotation SG du premier gyros-

cope (G), cet accéléromètre asservi (A) délivrant deux signaux analogiques SA et S Ay représentatifs de la mesure des accélérations selon les deux susdits axes de sensibilité en roulis AX et en tangage A,

un deuxième gyroscope (F) à au moins un axe de sensi-

bilité (axe de sensibilité en tangage Gx) monté sur ce cardan ( 1), de sorte que cet axe de sensibilité en tangage GX soit parallèle à l'axe de rotation SG de la toupie ( 7) du premier gyroscope (G), donc soit horizontal, et par le fait que les susdits éléments coopèrent entre eux de la façon suivante, les détecteurs de position en azimut DGZ du premier gyroscope G asservissent le moteur couple de précession en azimut MGZ du premier gyroscope G, et donnent une indication qui est exploitée, d'une part, pour obtenir les paramètres d'azimut caractérisant, par sa vitesse angulaire Qz la trajectoire du véhicule, et, d'autre part, pour obtenir la fonction auxiliaire de pointage en azimut, les détecteurs de position en roulis DGY du premier gyroscope G asservissent le moteur d'asservissement

en roulis My du cardan 1 qui porte le stator d'un dé-

tecteur angulaire de position en roulis Py et donnent des indications qui sont exploitées pour obtenir la fonction auxiliaire de pointage en roulis, le détecteur de position en tangage DFX du deuxième gyroscope F asservit le moteur couple de précession en tangage MFX du deuxième gyroscope F et donne une indication 2 x qui est exploitée pour obtenir la fonction auxiliaire de pointage en tangage,

le signal d'inclinaison en roulis SA de l'accéléro-

mètre A (après correction de l'effet centrifuge Z V) est utilisé pour niveler, par précession, l'axe de rotation S du premier gyroscope G, ce qui provoque une rotation lente du cardan ( 1) autour de l'axe de sensibilité en rouliz Gy de ce premier gyroscope G,

le signal d'inclinaison en tangage S Ay de l'accéléromè-

tre A indique à long terme le tangage, et le deuxième gyroscope F indique une vitesse exacte à court terme i X qui est la vitesse de tangage, ce, grâce à quoi, la complémentarité des spectres des signaux S Ay et 52 permet de réaliser une boucle de calcul analogique ou digital conduisant à une valeur calculée du tangage qui est à peu près exacte dans toute

la gamme du spectre, à long terme et à court terme.

2. Installation selon la revendication 1, carac-

térisée par le fait que le premier gyroscope G est bouclé autour de son axe de sensibilité en azimut Gz de manière à donner une valeur gyrométrique mesurée, par le fait que le premier gyroscope G est bouclé sur le cardan ( 1) autour de son axe de sensibilité en roulis Gy# et par le fait que le premier gyroscope G reçoit une précession calculée z tg(Ta) -c, ce grâce à quoi la dérive du mouvement conique autour d'un axe azimut Gzt (vraiment vertical) est nulle, ce qui permet de calculer le cap par la formule t ( (z>) M K=K + K_ __ dt ( 2 sin L+B) (t-to), cos (Ta)c et ce grâce à quoi la dérive de mouvement conique de la mesure 2 Xintégrée est nulle (calcul de tangage), ce qui autorise un calcul du tangage simple ne faisant intervenir que la mesure gyroscopique úx 2

3. Installation selon la revendication l ou 2, carac-

térisée par le fait que le deuxième gyroscope F est consti-

tué par un gyromètre.

4. Installation selon la revendication 1 ou 2, carac-

térisée par le fait que le deuxième gyroscope F est cons-

titué par un gyroscope flottant à un degré de liberté

bouclé électriquement en gyromètre.

5. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait que le deuxième gyroscope F est un gyroscope à deux axes de sensibilité dont un seul

est utilisé.

6 Installation selon la revendication 5, carac-

térisée par le fait que le deuxième gyroscope F est

monté mobile sur le cardan( 1) de manière à pouvoir occu-

per deux positions, diamétralement opposées, par pi-

votement autour d'un axe parallèle à l'axe de sensibilité en azimut Gz du premier gyroscope G (recherche autonome

de Nord).

7. Installation selon les revendications 1 à 6,

caractérisée par le fait que l'axe de pivotement ( 2) du

cardan ( 1) est parallèle à l'axe longitudinal du véhicule.

8 Installation selon les revendications 1 à 7,

caractérisée par le fait que l'axe de pivotement ( 2) du cardan ( 1) est disposé transversalement par rapport

à l'axe longitudinal du véhicule.