FR2551553A1 - Appareil de mesure de vitesse angulaire et appareil de mesure de la translation et de la rotation angulaire d'une structure - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN APPAREIL DESTINE A DETERMINER PAR INERTIE LA VITESSE DE ROTATION ANGULAIRE ET LE MOUVEMENT DE TRANSLATION D'UNE STRUCTURE. L'APPAREIL COMPORTE DES GROUPES D'ACCELEROMETRES12, 14, 16 QUI SONT ANIMES DE VIBRATIONS SUIVANT UN AXE UNIQUE, LEURS AXESA, A, A SENSIBLES AUX FORCES ETANT NORMAUX A L'AXE DE VIBRATION ET LES AXES SENSIBLES DES ACCELEROMETRES ETANT ORIENTES MUTUELLEMENT A 90. LES SIGNAUX DES ACCELEROMETRES VIBRANTS PEUVENT ETRE TRAITES POUR DONNER DES INDICATIONS D'UNE ROTATION ANGULAIRE AUTOUR DE DEUX AXES ET UN MOUVEMENT DE TRANSLATION SUIVANT DEUX AXES. LES DEUX GROUPES D'ACCELEROMETRES VIBRANTS FORMENT UN SYSTEME DE REFERENCE INERTIEL A TROIS AXESX, Y, Z. APPLICATION: SYSTEMES DE REFERENCE INERTIELS.

Description

L'invention apporte un perfectionnement aux demandes de brevet des Etats-

Unis d'Amérique n 357 714 déposée le 12 mars 1982, n 357 715 déposée le 12 mars 1982 et n 528 776 déposée le 2 septembre 1983, au nom de Merhav, qui ont trait à un appareil et à un procédé de mesure par inertie du mouvement de translation et de la

vitesse angulaire d'un corps en mouvement à l'aide d'accéléromètres à mouvement périodique.

L'invention concerne un appareil destiné à déterminer par inertie la vitesse de la rotation angulaire et du mouvement de translation d'une structure à l'aide d'accéléromètres vibrants et en particulier un appareil de ce type utilisant deux accéléromètres vibrants pour

déterminer la vitesse angulaire et le mouvement de trans15 lation suivant au moins deux axes.

Dans la demande n 357 714 précitée et dans l'article de Shmuel J Merhav intitulé "A Nongyroscopic Inertial Measurement Unit", publié en mai 1981 par Technion Israel Institute of Technology, il est décrit un procédé 20 et un appareil pour mesurer un vecteur force spécifique et un vecteur vitesse angulaire spécifique d'un corps en mouvement au moyen de plusieurs accéléromètres commandés périodiquement Les demandes n 357 715 et n 528 776 précitées décrivent des techniques analogues pour mesurer 25 le vecteur force spécifique, qui donnent une mesure d'un mouvement de translation et le vecteur vitesse angulaire

d'un corps en mouvement à l'aide d'un ou de deux accéléromètres vibrant à une fréquence constante.

Pour certaines applications telles que des systèmes de référence inertiels à bon marché, il est souhaitable de réduire au minium la c Orplexité et le nombre d'éléments sensibles utilisés Dans les systèmes de référence inertiels à trois axes décrits dans les demandes précitées, il est nécessaire d'utiliser trois ou six accéléromètres vibrant ou se déplaçant suivant trois axes distincts Dans les systèmes mécaniques décrits dans les demandes n 357 715 et n 528 776 précitées, il est nécessaire de prévoir un mécanisme pour commander un ou deux accéléromètres suivant trois axes orthogonaux distincts, ce qui peut nécessiter un entraînement mécanique relativement

complexe et coûteux.

L'invention a donc pour objet un système de mesure de vitesse angulaire sur deux axes, qui comprend deux accéléromètres dont les axes sensibles aux forces sont perpendiculaires entre eux et qui vibrent suivant un axe normal aux axes sensibles aux forces Un capteur triaxial de vitesse angulaire et de force peut être obtenu

par la combinaison de deux de ces groupes d'accéléromètres vibrants, les axes de vibration étant mutuellement normaux.

L'invention a également pour objet un appareil de mesure de vitesse angulaire comportant des premier et 15 second accéléromètres vibrant selon un axe de vibration, le premier accéléromètre étant aligné de façon qu'il vibre alors que son axe sensible aux forces est normal à l'axe de vibration et le second accéléromètre étant aligné de manière qu'il vibre avec son axe sensible aux forces normal 20 à la fois à l'axe de vibration et à l'axe sensible aux forces du premier accéléromètre L'appareil comprend également un processeur destiné à générer un premier signal de vitesse à partir du signal de sortie du premier accéléromètre qui représente la rotation angulaire du premier accéléromètre autour de l'axe sensible aux forces du second accéléromètre, et à générer également un second signal de vitesse à partir du signal de sortie du second accéléromètre représentant la rotation du second accéléromètre

autour d'un axe parallèle à l'axe sensible aux forces du 30 premier accéléromètre.

L'invention a également pour objet un appareil de mesure de la translation et de la rotation angulaire d'une structure possédant des premier, deuxième et troisième axes orthogonaux, cet appareil comprenant des premiers et second accéléromètres possédant chacun des axes sensibles aux forces; un premier mécanisme vibrant destiné à faire vibrer les premier et second accéléromètres suivant le deuxième axe; un premier mécanisme

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d'alignement destiné à fixer les premier et second accéléromètres au premier mécanisme vibrant afin que l'axe sensible aux forces du premier accéléromètre soit aligné sur le premier axe et que l'axe sensible aux forces du second accéléromètre soit aligné sur le troisième axe; les troisième et quatrième accéléromètres possédant des axes sensibles aux forces; un second mécanisme vibrant destiné à faire vibrer les troisième et quatrième accéléromètres suivant le troisième axe; un second mécanisme d'alignement 10 destiné à fixer les troisième et quatrième accéléromètres afin que l'axe sensible aux forces du troisième accéléromètre soit aligné sur le premier axe et que l'axe sensible aux forces du quatrième accéléromètre soit aligné sur le deuxième axe; et un processeur qui, en réponse aux signaux 15 de sortie des accéléromètres, génère des signaux de vitesse représentant la rotation angulaire de la structure autour de chacun des premier, deuxième et troisième axes et génère ldes signaux représentant la translation de la structure le long de chacun des premier, deuxième et troisième axes. 20 L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: la figure 1 est un diagramme illustrant le concept d'un capteur de vitesse et de force à trois axes 25 utilisant deux groupes d'accéléromètres vibrants; la figure 2 est une coupe transversale d'un mécanisme destiné à faire vibrer deux accéléromètres suivant un seul axe de vibration; et la figure 3 est un schéma simplifié d'un 30 circuit de processeur destiné à convertir des signaux

d'accéléromètre en signaux de vitesse angulaire et de force.

La figure 1 illustre sous une forme schématique la présente invention dans laquelle quatre accéléromètres vibrant suivant deux axes peuvent être utilisés pour constituer un système de mesure de vitesse angulaire et de

force à trois axes Par exemple, sur l'axe X, deux accéléromètres 10 et 12 sont mis en vibration Le premier accéléro-

mètre 10 possède son axe Az sensible aux forces aligné sur l'axe Z qui est normal à l'axe de vibration X Le deuxième accéléromètre 12 possède son axe Ay sensible aux forces aligné sur l'axe Y qui est normal à la fois à l'axe Az 5 sensible aux forces de l'accéléromètre 10 et à l'axe de vibration X Le signal de sortie az de l'accéléromètre 10 comprend des composantes représentant à la fois la translation du système de référence ou de la structure désigné par les axes X, Y et Z le long de l'axe Z, mais également 10 des composantes représentant la rotation de la structure autour de l'axe Y, comme indiqué par ny D'une manière similaire, le signal de sortie de l'accéléromètre 12, désigné par aycomprend des composantes représentant une translation de la structure le long de l'axe Y du système de référence de la figure 1, ainsi que les composantes résultant de la force de coriolis qui représente la rotation de l'accéléromètre 12 autour de l'axe Z, comme indiqué en z' Ainsi qu'on peut le voir sur la figure 1 et

ainsi qu'il ressort de la description ci-dessus, il est

possible d'utiliser deux accéléromètres vibrant suivant un

axe commun pouvant générer deux signaux de vitesse angulaire et deux signaux de force qui représentent la translation de la structure contenant les accéléromètres.

La figure 1 montre également que, en ajoutant 25 deux accéléromètres supplémentaires 14 et 16, on peut construire un système de détection inertial à trois axes Comme montré sur la figure 1, les accéléromètres 14 et 16 sont mis en vibration suivant l'axe Y, leurs axes sensibles aux forces Az et Ax étant normaux à l'axe de vibration Y et 30 formant un angle de 90 entre eux L'accéléromètre 14 produit un autre signal az qui, de même que dans le cas de l'accéléromètre 12, comprend des composantes représentant la translation de la structure contenant les accéléromètres le long de l'axe Z et une rotation x autour de l'axe X. 35 Par ailleurs, l'accéléromètre 16 complète le signal de réfence inertiel à trois axes en délivrant un signal ax qui contient des composantes représentant la translation de la structure contenant les accéléromètres le long de l'axe Z et la rotation angulaire nz autour de l'axe Z.

La figure 2 représente un assemblage matérialisant les paires d'accéléromètres vibrants montrées sur la figure 1.

L'assemblage à diapason montré sur la figure 2 peut être utilisé pour faire fibrer chaque paire d'accéléromètres comme montré sur la figure 1 L'assemblage d'accéléromètres vibrants comprend un boîtier cylindrique extérieur 18 dans lequel est monté un diapason 20 comportant deux branches 10 20 a et 20 b Ces branches 20 a et 20 b s'étendent parallèlement à l'axe Z de la figure 1 et, par conséquent, sont perpendiculaires l'axe de vibration X Le diapason 20 est monté à l'intérieur du bottier 18 au moyen d'une colonnette 22 de montage fixée à un voile intermédiaire 20 c du diapa15 son Cette agencement d'ensemble pour faire vibrer deux accéléromètres est décrit dans les demandes n 357 715 et

n 528 776 précitées.

Le bottier 18 comporte également une autre colonnette 24 alignée sur la colonnette 22, mais qui en 20 est espacée, ainsi que du voile 20 c du diapason 20 La colonnette 24 est utilisée pour le montage, sur un premier côté, d'un aimant permanent 26 qui coopère avec une bobine 28 de commande et, sur l'autre côté, d'un aimant permanent 30 qui coopère avec une bobine captrice 32 Les deux aimants permanents 26 et 30 sont de forme cylindrique et renferment des entrefers cylindriques qui sont exposés à leurs bobines respectives 28 et 32 de commande montées

sur deux noyaux cylindriques respectifs 34 et 36 qui, euxmêmes, sont fixés aux faces intérieures des deux branches 30 20 a et 20 b.

L'accéléromètre 10 de la figure 1, dont l'axe Az sensible aux forces est orienté comme représenté, est fixé à l'aide d'un support 38 à la face extérieure de la branche 20 b du diapason 20 D'une manière similaire, l'autre accéléromètre 12 est fixé à la face extérieure de la branche 20 a du diapason 20, l'axe A de l'accéléromètre

Ysensible aux forces étant orienté comme représenté, c'estsensible aux forces étant orienté comme représenté, c'est-

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à-dire perpendiculaire à la fois à la direction du mouvement du diapason et à l'axe Az sensible aux forces de

l'accéléromètre 10.

Il ressort de l'illustration de la figure 2 que le diapason 20, lorsqu'il vibre à sa fréquence propre, provoque un mouvement synchrone des accéléromètres 10 et 12, mais dans des sens opposés En conséquence, aucune force résultante n'est exercée sur le boîtier 18 ni sur la structure de support (non représentée) à laquelle est fixé 10 le boîtier 18 contenant l'ensemble des accéléromètres vibrants La structure de support des accéléromètres, qui est représentée symboliquement par les axes X, Y et Z sur la figure 1, peut être le corps mobile lui-même dans un système de référence inertiel bridé ou le cardan intérieur de suspension d'une plate-forme dans une application à une

plate-forme stable à suspension à la cardan.

Un exemple d'un circuit de traitement destiné à séparer la force des signaux de vitesse dans le cas de deux accéléromètres vibrants tels que les accélé20 romètres 10 et 12 desfigures 1 et 2 est illustré schématiquement sur la figure 3 Les principes de la séparation de signal, suivant lesquels fonctionne le circuit de la figure 3, sont les mêmesque ceux décrits en détail dans les demandes n 357 714 et n 528 776 précitées, ainsi que dans l'article de Shmuel J Merhav intitulé "A Nongyroscopic Inertial Measurement Unit" publié en mai 1981 par Technion Israel Institute of Technology Comme représenté sur la figure 3, un générateur d'impulsionsde commande produit sur une ligne 42 une série d'impulsions qui est une 30 fonction de la fréquence angulaire X à laquelle les accéléromètres 10 et 12 vibrent Les signaux d'impulsion de la ligne 42 sont alors appliqués à un générateur 44 de signaux de commande qui peut être utilisé pour actionner un mécanisme d'entraînement tel que le diapason 20 de la figure 2 35 afin de faire vibrer les accéléromètres 10 et 12 sur un

petit angle, à la fréquence u.

Le signal de sortie a de l'accéléromètre 10 zest ensuite appliqué par une ligne 46 à un canal 48 de est ensuite appliqué par une ligne 46 à un canal 48 de force et un canal 50 de vitesse angulaire Le circuit 50 du canal de vitesse angulaire calcule alors le signal de vitesse ny en appliquant le signal de la fonction périodique moyenne zéro sgncwt au signal az et en intégrant le résul5 tat sur la période de temps T qui représente une période de la fréquence w Le générateur 40 d'impulsios de commande produit un signal d'impulsion qui est une fonction de la période de temps T sur une ligne 52 qui est une entrée du canal 50 de vitesse angulaire ainsi que du canal 48 de force. 10 Le canal 48 de force travaille en intégrant le signal az sur la période de temps T pour produire, sur une ligne de sortie 56, le signal Fz qui représente la translation de la structure contenant les accéléromètres 10 et 12 le long

de l'axe Z, comme montré sur la figure 1.

Le circuit de la figure 3 comporte également un canal 58 de force et un canal 60 de vitesse angulaire qui travaille de la même manière, sur le signal de sortie a de l'accéléromètre 12, transmis par une ligne 62, de façon à produire le signal de force Fy sur une ligne de y sortie 64 et le signal de vitesse Sz sur une ligne de

force 66.

De nombreuses modifications peuvent être apportées à l'appareil décrit et représenté sans sortir

du cadre de l'invention.

Claims (6)

REVENDICATIONS

1 Appareil de mesure de vitesse angulaire, caractérisé en ce qu'il comporte un premier accéléromètre ( 10 G) présentant un premier axe(A 2) sensible aux forces, un second accéléromètre ( 12 présentant un second axe(A) sensible aux forces, des moyens vibrants ( 20, 28, 32) destinés à faire vibrer les premier et second accéléromètres suivant un axe de vibration, des moyens d'alignement( 38)destinés à fixer le premier accéléromètre atx moyer vibrantsafin que le 10 premier axe sensible aux forces soit normal à l'axe de vibration, et à fixer le second accéléromètre au moyens vibrant afin que le second axe sensible aux forces soit normal à la fois à l'axe de vibration et au premier axe sensible aux forces, et des moyens de traitement connectés 15 fonctionnellement aux premier et second accéléromètres afin de générer un premier signal de vitesse à partir du signal de sortie du premier accéléromètre, représentant la rotation angulaire du premier accéléromètre autour d'un premier axe parallèle à l'axe sensible aux forces du second 20 accéléromètre, etde générer un second signal de vitesse à partir du signal de sortie du second accéléromètre, représentant la rotation de ce second accéléromètre autour d'un second axe parallèle à l'axe sensible aux forces du premier accéléromètre.

2 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de traitement comprennent en outre des moyens ( 48, 50)destinés à générer un premier signal de force à partir du signal de sortie du premier accéléromètre, représentant la variation de vitesse des premier et second accéléromètres le long dudit premier axe sensible aux forces, et à générer un second signal de force à partir du signal de sortie du second accéléromètre, représentant la variation de vitesse des premier et second accéléromètres le long

du second axe sensible aux forces.

3 Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens vibrants font vibrer les premier et second accéléromètres à une fréquence constante, dans des

sens opposés sur ledit axe de vibration.

4 Appareil pour mesurer la translation et la rotation angulaire d'une structure possédant des premier, deuxième et troisième axes orthogonaux, caractérisé en ce qu'il comporte un premier accéléromètre( 10)présentant un premier axe(Az)sensible aux forces, un deuxième accéléromètre ( 12) présentant un deuxième axe ' sensible aux forces, des premiers moyens vibrants 60, 28, 32) destinés à faire vibrer les premier et deuxième accéléromètres suivant le deuxième axe, des premiers moyens d'alignement 08) destinés à fixer les premier et deuxième accéléromètres aux premiers moyens vibrants afin que le premier axe sensible aux forces soit aligné sur le premier axe et que le deuxième axe sensible aux forces soit aligné sur le troisième axe, un 15 troisième accéléromètre 04)présentant un troisième axe(Az) sensible aux forces, un quatrième accéléromètre 6) présentant un quatrième axe(Ax)sensible aux forces, des seconds moyens vibrants 60, 28, 32) destinés à faire vibrer les troisième et quatrième accéléromètres suivant le troisième 20 axe, des seconds moyens d'alignement 8) destinés à fixer les troisième et quatrième accéléromètres aux seconds moyens vibrants afin que le troisième axe sensible aux forces soit aligné sur le premier axe et que le quatrième axe sensible aux forces soit aligné sur le deuxième axe, 25 et des moyens de traitement connectés fonctionnellement aux premier, deuxième, troisième et quatrième accéléromètres afin de générer des signaux de vitesse représentant la rotation angulaire de la structure autour de chacun des premier, deuxième et troisième axes, et de générer des

signaux de force représentant une translation de la structure suivant chacun des premier, deuxième et troisième axes.

Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de traitement comprennent un élément ( 50) destiné à convertir le signal de sortie du premier accéléromètre en un premier signal de vitesse représentant la vitesse angulaire de la structure autour du troisième axe, un élément ( 60)destiné à convertir le signal de sortie du deuxième accéléromètre en un deuxième signal de vitesse qui représente la rotation angulaire de la structure autour du premier axe, et un élément destiné à convertir le signal de sortie du troisième accéléromètre en un troisième signal de vitesse qui représente la rotation angulaire de la structure autour du deuxième axe.

6 Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de traitement comprennent en outre un élément destiné à convertir le signal de sortie du quatrième accéléromètre en un quatrième signal de vitesse qui représente la vitesse angulaire de rotation de la

structure autour du premier axe.

7 Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de traitement comprennent en outre un 15 élément( 48)qui, en réponse au signal de sortie du premier accéléromètre, produit un premier signal de force représentant une translation de la structure suivant le premier axe, un élément 68 qui, en réponse au signal de sortie du deuxième accéléromètre, produit un deuxième signal de force 20 représentant une translation de la structure suivant le troisième axe, un élément qui, en réponse au signal de sortie du troisième accéléromètre, produit un troisième signal de force représentant une translation de la structure suivant le premier axe, et un élément qui, en réponse au 25 signal de sortie du quatrième accéléromètre, produit un quatrième signal de force représentant une translation de

la structure suivant le deuxième axe.