FR2551554A1 - Dispositif de mesure de la force inertielle specifique et de la vitesse angulaire d'un corps mobile - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LES SYSTEMES INERTIELS. LE DISPOSITIF DE L'INVENTION MESURE LA FORCE INERTIELLE SPECIFIQUE ET LA VITESSE ANGULAIRE D'UN CORPS MOBILE AU MOYEN DE PLUSIEURS ACCELEROMETRES390, 392 MONTES SELON DES AXES MUTUELLEMENT PERPENDICULAIRES, CHAQUE ACCELEROMETRE ETANT MONTE DE FACON A EFFECTUER UN MOUVEMENT VIBRATOIRE DANS LA DIRECTION DE L'AXE RESPECTIF. LE DISPOSITIF COMPREND EN OUTRE DES MOYENS D'ENTRAINEMENT31 DESTINES A FAIRE VIBRER CHAQUE ACCELEROMETRE POUR PRODUIRE DES SIGNAUX DE SORTIE, ET UN DISPOSITIF DE TRAITEMENT DE SIGNAL402, 404 QUI, A PARTIR DES SIGNAUX DE SORTIE DES ACCELEROMETRES, CALCULE LA FORCE SPECIFIQUE ET LA VITESSE ANGULAIRE POUR LES AXES RESPECTIFS. APPLICATION AUX SYSTEMES DE NAVIGATION ET DE GUIDAGE.

Description

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La présente invention concerne un dispositif destiné à mestrer la force spécifique inertielle et la vitesse angulaire d'un corps mobile au moyen d'un ensemble d'accéJeromntres montés sur des axes mutuellement perpendiculai5 res L'invention est particulièrement utile dans le dispositif et le procédé appliqués à une Unité de Mesure Inertielle non gyroscopique de haute précision pour un Système de Navigation Inertiel, décrit dans la demande de brevet des E U A n 357 714, déposée le 12 mars 11982, ainsi que dans l'article de Shmuel J Merhav intitulé "A Nongyroscopic Inertial Measurement Unit," publié dans la revue AIAA J of

Guidance and Control, mai-juin 1982, pages 227-235, et on la décrira donc ci-après en relation avec une telle application.

La demande de brevet précitée décrit un procédé et un dispositif pour mesurer le vecteur de force spécifique et le vecteur de vitesse angulaire d'un corps mobile au moyren d'un ensemble d'accéléromètres entraînés de façon cyclique Le mode de réalisation qu 1 %b décrit utilise des accéléromètres tournants qui, de façon générale, ont été proposés dès 1965, mais qui n'ont pas encore évolué en une technologie utilisable en pratique, comme il est indiqué dans la demande de brevet précitée Cette demande de brevet concernait plus particulièrement une manière originale de traiter les signaux de sortie des accéléromètres de façon à déterminer les 25 composantes de vecteur de force spécifique F et de vecteur de vitesse angulaire L de ces signaux de sortie, d'une manière telle que les composantes parasites soient atténuées jusqu'à un niveau suffisamment bas pour 8 tre compatible avec les exigences de précision d'un Système de Navigation Inertielle. 30 Brièvement, on détermine les composantes du vecteur de vitesse angulaire de (c'est-à-dire Li, avec i = x, y, z) à partir de chacun des signaux de sortie d'accéléromètre ("a"), par les opérations suivantes: ( 1) on multiplie le signal de sortie d'accéléromètre par la fonction sgncoswt pour produire le 35 signal de produit a-sgncoswt, et ( 2) on intègre le signal de

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produit sur la période cyclique On détermine les composantes du vecteur de force spécifique de F (c'est-à-dire Fi, avec i=x, y, z) en intégrant les signaux de sortie d'accéiéromètre respectifs ("a") sur la période cyclique La de5 mande de brevet précitée comporte un exposé et uneanalyse mathématique des caractéristiques dynamiques qui interviennent, et elle montre qu'on obtient un certain nombre d'avantages importants qui font que le procédé et le dispositif décrits conviennent particulièrement bien à des Systèmes de 10 Navigation Inertiels (SNI) non gyroscopiques On pourra se référer à cette demande de brevet et à l'article de S J. Merhav, cité ci-dessus, pour avoir des détails supplémentaires sur la technique décrite pour la séparation des signaux,

et sur les avantages qu'elle permet d'obtenir.

Un but de l'invention est de procurer un nouveau dispositif pour mesurer la force spécifique et la vitesse angulaire d'un corps mobile, au moyen d'un ensemble d'accéléromètres montés sur des axes mutuellement perpendiculaires et entraînés de façon cyclique par des moyens d'entraînement dans des plans mutuellement perpendiculaires, caractérisé en ce que chaque accéléromètre est monté de façon à accomplir un mouvement vibratoire et est entraîné par les moyens d'entraînement selon un axe de vibration dans son plan respectif, au lieu d'être mis en rotation dans son plan, comme dans le mode de réalisation de l'invention qui est décrit dans la demande de brevet précitée Plusieurs configurations correspondant à des caractéristiques supplémentaires de l'invention sont décrites ci-après pour produire le mouvement vibratoire

des accéléromètres.

Ainsi, dans un mode de réalisation décrit, l'accéléromètre est monté de façon élastique à l'aide de moyens élastiques, tels qu'une membrane, obligeant l'accéléromètre à se déplacer uniquement le long de l'axe de vibration, les moyens d'entraînement pouvant être connectés à une source de courant 35 sinusoidal pour faire vibrer l'accéléromètre le long de l'axe

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de vibration Chaque axe de référence du corps mobile peut comporter deux structures vibrantes de ce type montées dos à dos de manière coaxiale, les moyens d'entraînement de l'une des structures faisant vibrer la structure correspon5 dante en synchronisme avec les moyens d'entraînement de l'autre, mais dans une direction opposée, grâce à quoi l'une des structures fait fonction de masse d'équilibrage

pour équilibrer dynamiquement l'autre structure.

Un dispositif construit conformément aux caracté10 ristiques précédentes permet d'obtenir un certain nombre d'avantages importants, en particulier lorsqu'il est appliqué à des Systèmes de Navigation Inertiels (SNI) non gyroscopiques Il permet ainsi d'entraîner les accéléromètres de façon cyclique sans joints mécaniques tournants ou glissants, 15 ce qui fait disparaître la nécessité de bagues ou d'autres contacts électriques glissants La configuration décrite procure en outre une structure d'accéléromètre qui est par nature rigide dans la direction de l'axe sensible, ce qui permet de communiquer le mouvement vibratoire aux accéléro20 mètres avec des amplitudes, des fréquences et des angles de phase qui peuvent être commandés de façon très précise, et ce qui rend les accéléromètres pratiquement insensibles à des forces, des chocs et des vibrations externes Un avantage supplémentaire, en particulier dans la configuration dos à dos, consiste en ce que le dispositif produit le mouvement vibratoire nécessaire d'une manière telle que les forces dynamiques soient équilibrées avec précision Les avantages précédents procurent un temps moyen de bon fonctionnement (TMBF) très supérieur à celui des Unités de Mesure Inertielles du type gyroscopique, ou à celui des Unités de Mesure Inertielles

de type non gyroscopique comportant des accéléromètres tournants.

On décrit un second mode de réalisation de l'invention dans lequel chaque accéléromètre est monté sur un élément 35 de support qui peut tourner autour d'un axe de rotation perpen-

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diculaire à son axe de vibration, et dans lequel les moyens d'entraînement font osciller l'élément de support de l'accéléromètre avec un mouvement angulaire faible, autour de son axe de rotation L'élément de support comprend éga5 lement une masse d'équilibrage du côté opposé de son axe

de rotation, pour équilibrer la masse de l'accéléromètre.

Dans ce mode de réalisation décrit, les moyens d'entralnement comprennent un moteur électrique générateur de couple qui est attaqué par le courant sinusoidal pour effectuer un 10 petit mouvement oscillatoire angulaire (de quelques degrés) qui est presque linéaire Ce mode de réalisation offre des

avantages supplémentaires consistant en une immunité quasicomplète vis-àvis de vibrations linéaires et de chocs externes, en une construction simple et en une précision éle15 vée à un faible coût.

Un troisième mode de réalisation décrit ci-après comprend un diapason et ce mode de réalisation permet également un équilibrage précis des forces dynamiques L'accéléromètre comprend ainsi une masse montée de façon à accomplir un mouvement vibratoire sur une première branche du diapason, la seconde branche du diapason comprenant une masse d'équilibrage, pour faire en sorte que les deux branches vibrent à une fréquence naturelle prédéterminée Dans ce mode de réalisation décrit, l'élément électrique d'entraînement est por25 té par une branche du diapason, et l'élément électrique capteur peut être porté par l'autre branche Une telle configuration peut comprendre une boucle de réaction électrique allant

de l'élément capteur vers l'élément d'entraînement, pour former avec celui-ci un oscillateur électromécanique dont les os30 cillations sont entretenues par la boucle de réaction.

Le mode de réalisation à diapason procure un certain nombre d'avantages supplémentaires, en plus d'un système dynamique équilibré, à cause des masses se déplaçant en sens opposé En effet, du fait que la puissance exigée pour entraîner 35 l'élément d'entraînement est seulement celle nécessaire pour compenser la perte d'énergie due à la friction, la structure n'exige qu'une puissance faible En outre, du fait que le dispositif fonctionne à la manière d'un oscillateur accordé de façon pointue, il effectue une réjection des per5 turbations mécaniques dans la direction de l'axe sensible, à moins qu'elles soient exactement à la fréquence de résonance De plus, du fait que la structure fonctionne à sa fréquence naturelle, on peut l'utiliser pour synchroniser le multivibrateur qui commande le dispositif de traitement 10 de signal, ce qui évite des retards de phase susceptibles d'affecter la précision des vecteurs de vitesse angulaire

et de force spécifique qui sont déterminés à partir des signaux de sortie des accéléromètres.

Les considérations qui précèdent permettent de voir que le "mouvement vibratoire" appliqué aux accéléromètres peut non seulement être un mouvement rectiligne pur, comme dans le premier des modes de réalisation mentionnés cidessus, mais également un mouvement pratiquement rectiligne (par exemple de petits mouvements oscillatoires angulaires 20 qui sont presque rectilignes), comme dans les seconds et

troisième modes de réalisation de l'invention mentionnés cidessus Ceci ressortira davantage de la description détaillée

faite ci-après de chacun de ces trois modes de réalisation.

On peut obtenir un perfectionnement supplémentaire 25 dans le capteur de vitesse angulaire et de force utilisant des accéléromètres vibrants, en utilisant des accéléromètres appariés pour chaque axe pour lequel on désire une information de vitesse angulaire On décrit ici trois configurations d'accéléromètres appariés qui peuvent procurer une augmenta30 tion importante de la précision du signal de force comme du signal de vitesse qui sont obtenus La première de ces configuration utilise deux accéléromètres montés ensemble avec leurs axes d'entrée ou de détection de force parallèles-à l'axe autour duquel les accéléromètres sont mis en vibration Une seconde 35 configuration comporte les deux accéléromètres montés dos à

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dos, avec leurs axes de détection de force mutuellement opposés et normaux à un axe autour duquel les accéléromètres sont mis en vibration Dans la troisième configuration, les accéléromètres sont montés dos à dos, avec leurs axes de dé5 tection de force mutuellement opposés, et on fait vibrer les accéléromètres dans une direction linéaire normale aux

axes de détection de force.

La structure appariée décrite ci-dessus permet de séparer encore davantage les signaux de force par rapport 10 aux signaux de vitesse angulaire, en faisant la somme et la

différence des signaux de sortie des accéléromètres appariés, avant d'appliquer ces signaux à un circuit de séparation de signal.

D'autres caractéristiques et avantages de l'inven15 tion ressortiront de la description qui suit de modes de

réalisation, et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est un schéma qui sera utile dans l'explication du principe de séparation de signal décrit dans la demande de brevet précitée et utilisé dans le mode de réalisation préféré de l'invention qui est décrite ici; La figure 2 est un schéma synoptique qui montre une forme d'Unité de Mesure Inertielle non gyroscopique, basée sur le principe de séparation de signal décrit dans la 25 demande de brevet précitée, et également incorporéedans le mode de réalisation préféré de la présente invention; La figure 3 est un schéma similaire à celui de la figure 2, mais modifié de façon à incorporer des accéléromètres vibrants, conformément à la présente invention, au lieu 30 d'accéléromètres tournants, comme sur la figure 1; La figure 4 montre une forme de structure d'accéléromètre vibrante, construite conformément à la présente invention; La figure 5 est un schéma d'un dispositif d'entrai35 nement de structure d'accéléromètre à boucle fermée, construit

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conformément à la présente invention; La figure 6 représente schématiquement l'utilisation de deux structures d'accéléromètre vibrantes, chacune d'elles ayant par exemple la construction représentée sur 5 la figure 4, montées dos,à dos pour équilibrer les forces dynamiques; La figure 7 montre une seconde forme de structure d'accéléromètre vibrante construite conformément à la présente invention, qui est basée sur l'utilisation d'un moteur 10 électrique générateur de couple qui entraîne en rotation l'accéléromètre et une masse d'équilibrage, en un mouvement oscillatoire angulaire de faible amplitude; La figure 8 montre une troisième-forme de structure d'accéléromètre vibrante construite conformément à la pré15 sente invention, qui est basée sur l'utilisation d'un diapason pour équilibrer avec précision les forces dynamiques; La figure 9 est un schéma synoptique qui montre une configuration d'oscillateur électromécanique comprenant une structure d'accéléromètre à diapason telle que celle re20 présentée sur la figure 8; La figure 10 est un schéma en perspective simplifié d'accéléromètres appariés dont les axes de détection de force sont parallèles à un axe de vibration angulaire; La figure 11 est un schéma en perspective simplifié 25 d'accéléromètres appariés disposés dos à dos, avec leurs axes de détection de force normaux à un axe de vibration angulaire; La figure 12 est un schéma en perspective simplifié d'accéléromètres appariés disposés dos à dos avec leurs axes 30 de détection de force normaux à la direction de vibration linéaire; La figure 13 est un diagramme similaire à celui de la figure 3, utilisé pour illustrer le fonctionnement de la configuration d'accéléromètres appariés de la figure 10 dans 35 un capteur dé vitesse angulaire à trois axes;

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La figure 14 est un schéma d'un type similaire à celui de la figure 3, illustrant le fonctionnement de la configuration d'accéléromètres appariés de la figure 11 dans un capteur de vitesse angulaire à trois axes; La figure 15 est un schéma d'un type similaire à celui de la figure 3, illustrant le fonctionnement de la configuration d'accéléromètres appariés de la figure 12 dans un capteur de force et de vitesse angulaire à trois axes; La figure 16 est une vue latérale d'un mécanisme destiné à la mise en oeuvre de la configuration d'accéléromètres appariés de la figure 10; La figure 17 est une vue latérale d'un mécanisme destiné à la mise en oeuvre de la configuration d'accéléro15 mètres appariés de la figure 11; La figure 18 est une vue latérale d'un mécanisme destiné à la mise en oeuvre de la configuration d'accéléromètres appariés de la figure 12; et La figure 19 est un schéma synoptique d'un circuit 20 de séparation de signal du type représenté sur la figure 2,

avec en plus un circuit de pré-traitement destiné à faire la somme et la différence des signaux-de sortie des accéléromètres.

Système d'ensemble et principe de la séparation de signal 25 (figures 1 et 2) On considère qu'avant de décrire les divers modes de réalisation de l'invention, représentés sur les figures 38, un exposé préliminaire des principes de séparation de signal et du système d'ensemble pour la mesure de la force spéci30 fique et de la vitesse angulaire d'un corps tournant, qui sont décrits dans l'article et dans la demande de brevet précités, aidera à mieux comprendre l'invention et ses avantages, en particulier dans le cas o l'invention est incorporée dans un tel

système de mesure.

En E relation avec la figure 1, l'équation générale

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donnant l'accélération totale mesurable au niveau d'une masse ponctuelle se déplaçant dans un système tournant est: a = F +IL x r + 2 f L x dr + x ( fl x r)+d 2 r I ( 1) dt b dt 2 b Dans cette équation, f Lest le vecteur de vitesse angulaire 5 du système, F est le vecteur de force spécifique et r est la distance instantanée de la masse ponctuelle par rapport au centre de rotation du système En particulier, r = e +, en désignant par P la distance vectorielle instantanée de la masse ponctuelle par rapport à son centre de révolution, 10 et par t la distance fixe entre le centre de révolution de l'élément et le centre de rotation du système L'indice b indique la différentiation par rapport aux axes du corps tournant On peut maintenant récrire l'équation ( 1) de la façon suivante; a= F + L x (f +)+ 2 IL x d ' + x ( 4 x(e+))+d 1 ( 2) dt b dt 2 b et en substituant x CO oswt xsinwt i fx PX x e V sinwt O >coswt yv y ez zcoswt ezsinwt O k en désignant par i, j et k les vecteurs unitaires dans les directions respectives +x, +y et +z En incorporant les composantes de bruit respectives nx, ny, nz, et en décomposant a en ax, ay et az, en posant px= y=pz=p et en réarrangeant les termes, on obtient: ax=Fx + z(q+pr)+ 2 W ecoswt (q 2 Cwfsinut p e (q cos<t + r sinot( 3) r+ "+ p (q cosut + r sinwt) + nx

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ay=F + tx(r + qp) + 2 W f cosit (r-2 2 W Esin W t ( 4) ( + Tw)+ qe (r cos w t + p sinwt) + n az= Fz + y(p+rq)+ 2 W coswt 2 usinat ( 5) (q+ 2) + r Q(p coswt + q sinwt) + nz On suppose que chacun des signaux de bruit n=lnx, ny, nzl consiste en trois composantes qui sont les suivantes: n=nd + N + n -d -v r avec: nd: Bruit de basse fréquence (dérive) nv: Bruit de vibration périodique ou aléatoire du -v véhicule nr: Bruit de haute fréquence du capteur, à valeur moyenne aléatoire Ainsi, dans le système d'accéléromètres tournants 15 qui est représenté dans la demande de brevet précitée, outre les termes désirés qui sont soulignés dans les équations ( 3)-( 5), il existe divers termes parasites supplémentaires qui contribuent potentiellement à créer des erreurs Ces erreurs résultent essentiellement des termes dynamiques conte20 nant p, q, r et leurs dérivées, et des composantes de bruit du

capteur qui sont contenues dans n.

Comme il est décrit de façon plus complète dans la demande de brevet précitée, une caractéristique importante de l'invention consiste en ce qu'elle procure des moyens pour sé25 parer Fx de q, Fy de r et Fz de p, d'une manière telle que les termes parasites soient atténués jusqu'à un niveau suffisamment bas pour éliminer pratiquement l'effet des termes de produits

croisés qp, qr et rp.

Un avantage important de l'utilisation d'accéléromè-

l 2551554 tres vibrants conformément à la présente invention consiste en ce que les termes orthogonaux, par exemple 2 wesinw t (r + 2) dans l'équation ( 3) ci-dessus (et les termes correspondants dans les équations ( 4) et ( 5) ci-dessus) dis5 paraissent effectivement, ce qui réduit encore davantage cette source d'erreur dans le système d'accéléromètres tournants En effet, du fait que ces termes orthogonaux résultent du mouvement de rotation des accéléromètres, ils ne sont pas présents dans l'invention correspondant à la pré10 sente demande de brevet, qui fait intervenir un mouvement

de vibration des accéléromètres.

La figure 2 de la présente demande (qui correspond à la figure 4 de la demande de brevet précitée) représente sous forme de schéma synoptique une Unité de Mesure Inertiel15 le non gyroscopique, qui met en oeuvre les principes de séparation de signal décrits ci-dessus en relation avec un canal, à savoir celui de l'accéléromètre Az On notera que les deux autres canaux, pour les accéléromètres Ax et Aysont

construits de façon similaire.

L'unité représentée sur la figure 2 comprend trois sous-systèmes principaux, à savoir: un générateur d'impulsions de commande, désigné de façon générale par la référence 2; un dispositif d'entraînement électromécanique désigné de façon générale par la référence 3, destiné à mettre 25 en rotation chacun des accéléromètres de la triade représentée sur la figure 1; et un dispositif de traitement de séparation électronique de signal, désigné de façon générale par

la référence 4.

Le générateur d'impulsions de commande 2 est attaqué 30 par un multivibrateur libre 21 ayant une fréquence de référence de haute précision 4 f (f=l/T) Le multivibrateur commande un générateur de signaux carrés 22 qui produit des signaux carrés avec une fréquence f On utilise ces signaux carrés en tant qu'impulsions de synchronisation On les applique à un 35 générateur d'impulsions de commande 23,pourlaremiseà zéro

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et 1 ' intégration, et à un générateur d'impulsions d'échantillonnage 24, et on utilise ces générateurs pour commander le fonctionnement du dispositif de traitement 4, comme

on le décrira plus particulièrement ci-après.

Les impulsions de synchronisation qui proviennent du générateur de signaux carrés 22 sont également appliquées à un générateur de signal d'entraînement 31 à l'intérieur du système d'entraînement électromécanique 3 Les impulsions de sortie du générateur 31 entraînent les accé10 léromètres de la structure 32, de façon que res accéléromètres soient mis en rotation autour de leurs axes respectifs à une fréquence prédéterminée ( w) égale à 2 Âf Ainsi, lorsque le corps sur lequel la structure d'accéléromètres 32 est fixée est soumis à une force spécifique F et à une vitesse z de rotation p, cette structure produit un signal de sortie

résultant az.

Le signal de sortie az des accéléromètres est appliqué au dispositif de traitement 4 pour en séparer le vecteur de force spécifique Fz et le vecteur de vitesse angu20 laire p, d'une manière qui supprime pratiquement les composantes indésirables du signal az, conformément aux équations ( 3)-( 5) et ( 6)-( 8) envisagées ci-dessus Dans ce cas, on considère les composantes F et p, ce qui fait que l'équation z

appropriée est l'équation ( 5).

Le dispositif de traitement 4 comprend ainsi un circuit multiplicateur ou de commutation de signe 41 destiné à multiplier les valeurs a introduites par la fonction périodiz que à moyenne nulle "'sgncoswt", et à présenter en sortie le signal de produit az sgncoswt Ce dernier signal est appliqué 30 à un circuit intégrateur 42 qui intègre le signal de produit sur la période de cycle T Le circuit intégrateur 42 est remis à zéro à la fin de la période T par le générateur d'impulsions

de commande 23, mais avant qu'il soit remis à zéro, il transfère son contenu vers un circuit échantillonneur-bloqueur 43, 35 et ce dernier circuit est commandé par le générateur d'impul-

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sions d'échantillonnage 24 Comme décrit ci-dessus, ce traitement du signal de sortie d'accéléromètre a fait corresz pondre le contenu du circuit échantillonneur-bloqueur 43 à

la composante de vitesse angulaire "p'".

Le signal de sortie d'accéléromètre a est égalez ment appliqué à un second canal dans le dispositif de traitement 4 qui comprend un second circuit intégrateur 44 qui intègre ce signal sur la période T Le circuit intégrateur 44 est également remis à zéro à la fin de la période T par 10 le générateur d'impulsions de commande 23, mais juste avant d'être remis à zéro, il transfère son contenu vers un autre circuit échantillonneurbloqueur 45 qui est commandé par le générateur d'impulsions d'échantillonnage 24 On notera,

d'après la description précédente, que le contenu du circuit 15 échantillonneur-bloqueur 45 correspond au vecteur de force

spécifique Fz.

On peut maintenant se référer à la demande de brevet précitée pour décrire de façon plus détaillée le système d'ensemble et les avantages que procure le principe de sépa20 ration de signal sur lequel ce système est basé, en notant que les mêmes avantages s'appliqueraient à la présente invention dans le cas de sa mise en oeuvre dans un tel système de mesure, en plus des avantages supplémentaires que permet

d'obtenir l'invention correspondant à la présente demande, 25 comme il est décrit plus particulièrement ci-après.

Principe de l'utilisation d'accéléromètres vibrants (figure 3) Brièvement, l'invention correspondant à la présente demande utilise des accéléromètres vibrants pour produire les signaux de sortie d'accéléromètre à partir desquels on détermi30 ne les composantes du vecteur de force spécifique F et les composantes du vecteur de vitesse angulaire Dl, tout en supprimant pratiquement les composantes indésirables de ces signaux Ceci est représenté sur la figure 3, qui est similaire au schéma de la figure 1 mais qui comporte des accéléromètres vibrants à la 35 place d'accéléromètres tournants La figure 3 montre ainsi une

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triade d'accéléromètres Ax' Ay, Az, disposés de fagon à vibrer avec une amplitude "P" et une fréquence "w " dans les plans respectifs (x, y), (y, z) et (x, z), avec les axes d'entrée sensibles alignés de la manière représentée dans les directions x, y, z. Des configurations spécifiques d'accéléromètres vibrants sont représentées sur les figures 4 à 9, décrites ci-après Ces figures ne représentent qu'un seul canal, c'est-àdire celui de l'accéléromètre Az, dans lequel l'axe 10 sensible de l'accéléromètre pour le vecteur de force spécifique est l'axe Z, et l'axe de vibration est l'axe Y, tandis que l'axe sensible pour le vecteur de vitesse angulaire est l'axe X Ainsi, l'accéléromètre Az, vibrant le long de l'axe Y, mesure la force spécifique inertielle et la vitesse 1 S angulaire du corps mobile par rapport à des axes de référence Z et X On notera que les deux autres canaux, c'est-à-dire ceux relatifs aux accéléromètres Ax et Ay, sont construits de façon similaire et fournissent des mesures correspondantes pour leurs axes respectifs Il est préférable que la fréquen20 ce de vibration (u) des accéléromètres dans tous les modes de réalisation décrits ci-dessus soit de 30 à 60 Hz, et que le déplacement pendant leurs mouvements vibratoires soit de

façon caractéristique dans la plage de 0,25 à 3 mm.

Comme on l'a indiqué précédemment, l'un des princi25 paux avantages de l'utilisation d'accéléromètres vibrants,par rapport à des accéléromètres tournants, consiste dans le fait que les termes orthogonaux dans les équations ( 3)-( 5) (par exemple 2 usinwt (r + 2) dans l'équation ( 3)) n'existent même pas, ce qui permet de façon inhérente d'obtenir des per30 formances d'ensemble considérablement améliorées De nombreux

autres avantages sont décrits ci-après de façon plus particulière.

Configuration d'accéléromètres vibrants des figures 4 à 6 La structure d'accéléromètre représentée sur la figu35 re 4, qui est désignée de façon générale sur cette figure par

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la référence 50, comprend un boîtier cylindrique extérieur 52 dans lequel est enfermé un accéléromètre 54 qui contient une masse de mesure d'accéléromètre 56 L'accéléromètre 54 est porté par une plaque de montage 58 qui est montée de façon élastique dans le bottier 52 au moyen d'une membrane élastique 60, et cette membrane limite le mouvement de l'accéléromètre 54 au seul axe Y, qui est l'axe de vibration, et qui est perpendiculaire à l'axe Z, qui est l'axe

sensible pour le vecteur de force spécifique pour la struc10 ture d'accéléromètre, comme indiqué ci-dessus.

Les moyens d'entraînement destinés à faire vibrer l'accéléromètre 54 le long de l'axe Y comprennent un aimant permanent 62 de structure cylindrique qui est fixé à l'intérieur du bottier 52, à l'une de sesextrémités, et qui com15 porte un entrefer cylindrique 64, coaxial avec l'axe de vibration Y de la structure d'accéléromètre Les moyens d'entrainement comprennent en outre une bobine d'entraînement 66 qui est portée par un mandrin cylindrique 68 fixé à la plaque de montage d'accéléromètre 58, à l'intérieur de l'en20 trefer cylindrique 64, et en position coaxiale par rapport à l'axe de vibration Y La bobine d'entraînement 66 est branchée de façon à recevoir un courant d'entraînement sinusoidal produisant une force sous l'effet de laquelle l'accéléromètre 54, comprenant sa masse de mesure 56 et la plaque de montage 58, se déplace de façon sinusoidale le long de l'axe de vibration Y, avec un mouvement limité par la force élastique de la

membrane 8.

La structure d'accéléromètre représentée sur la figure 4 comprend en outre des moyens de détection qui sont placés 30 à l'intérieur du boîtier 72 et sont connectés à l'accéléromètre 54 et à sa masse 56 pour mesurer la vitesse de déplacement de celle-ci le long de l'axe de vibration Y Ces moyens de détection peuvent comprendre un autre aimant permanent 70 (ou

une bobine d'induction sans fer) et une bobine détectrice 72 35 associée à l'aimant, à l'autre extrémité du boîtier 52 L'ai-

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mant permanent 70 a également une structure cylindrique, mais des dimensions très inférieures à celles de l'aimant d'entraînement 62, et il comporte également un entrefer cylindrique 74, et la bobine détectrice 72 est également mon5 tée sur un mandrin cylindrique 76 qui est fixé à l'accéléromètre 54 de façon que la bobine détectrice 72 se trouve à l'intérieur de l'entrefer 74 et soit coaxiale par rapport

à l'axe de vibration Y de la structure d'accéléromètre.

La structure d'accéléromètre représentée sur la 10 figure 4 comprend en outre un premier groupe de bornes externes 77 qui sont connectées par des conducteurs électriques (non représentés) à la bobine d'entraînement 66 pour fournir le courant d'entraînement, et à la bobine détectrice 76 qui mesure le mouvement de l'accéléromètre 54, et un 15 second groupe de bornes externes 78 qui sont connectées par des conducteurs électriques (non représentés) à des bornes internes 79 portées par l'accéléromètre 54, pour fournir les tensions d'alimentation et pour faire transiter les signaux allant vers l'accéléromètre 54 et sortant de celui-ci. 20 On voit ainsi que le courant d'entraînement sinusoidal(I=I sinwt) qui est appliqué à la bobine d'entra Tnement m 66 exerce une force qui lui est proportionnelle et fait vibrer sinusoldalement le long de l'axe Y l'accéléromètre 54, avec sa masse 56 et la plaque de montage 58, avec un mouvement limité 25 par la membrane élastique 60, d'une manière similaire à celle de l'excitation d'un haut-parleur La bobine détectrice 72, qui se déplace avec l'accéléromètre 54, induit une tension proportionnelle à la vitesse du mouvement sinusoidal de l'accéléromètre 54, et la vitesse mesurée du mouvement le long de 30 l'axe de vibration Y (c'est-à-dire y) est émise par les bornes 77 Ainsi, si le mouvement dû à I=Imsinwt est y=ymsin(ut + e) = sin (wt + e), en désignant par O un déphasage dû au retard dynamique de la structure mobile, la vitesse correspondante

est y = pwcos (wt + 0) Le signal émis par la bobine détectri35 ce 72 représente cette vitesse mesurée (y) de la structure mo-

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bile, comprenant l'accéléromètre 54.

La figure 5 montre comment on utilise également cette vitesse mesurée (y) émise par la bobine détectrice

72, pour forcer un mouvement de l'accéléromètre 54 comman5 dé en boucle fermée, en commandant l'application du courant d'entraînement à la bobine d'entraînement 66.

Ainsi, le générateur de signal de commande 80, synchronisé par des impulsions d'entrée 81, génère le signal V = Vmcosut, qui est appliqué par des conducteurs 82 10 à un amplificateur de puissance différentiel 84 La sortie de l'amplificateur 84 est connectée par des conducteurs 86

à la bobine d'entraînement 66 de la structure d'accéléromètre représentée sur la figure 4, ce qui a pour effet d'entraîner la structure au moyen d'un courant I = I sin(cut +).

m Ce dernier courant produit la force F = Fmsin(wt +) qui crée le mouvement y=pucos(wt + S) (indiqué par la flèche de sortie 88) Ce dernier mouvement est mesuré par la bobine détectrice 72 sur la figure 4 et il est transmis, par le conducteur 90, à une autre borne d'entrée de l'amplifica20 teur de puissance différentiel 84 La faible différence entre le signal sur le conducteur 90 et le signal V=Vmcoswt est amplifiéepour produire le signal d'attaque

I = Imsin(wt + e).

La configuration de la figure 5 consiste en une 25 boucle de réaction négative ayant un gain de boucle total L qui est déterminé par le gain de l'amplificateur 84 et par la bobine détectrice 72 Il est clair pour l'homme de l'art qu'en fixant L>)i 1, on assure que y suive étroitement V = Vmc O Swt, et qu'une perturbation de force possible fd' 30 représentée schématiquement par la ligne en pointillés 92, excitera dans la vitesse y une perturbation donnée par Yd Fd/L Du fait que L* 1, on peut réduire Yd à un niveau suffisamment faible pour être négligeable, ce qui force l'accéléromètre 54 et la masse 56 sur la figure 4 à se com35 porter en pratique comme un corps rigide vis-à-vis de forces

18 2551554

perturbatrices le long de l'axe Y. On voit ainsi que le système d'entraînement en

boucle fermée de la figure 5 procure une vitesse linéaire sinusoïdale bien régulée et commandée le long de l'axe y.

L'amplificateur 84 est conçu en ce qui concerne la réponse en fréquence de façon que la fonction de transfert en boucle fermée de la figure 5, désignée par H(w) l y(W)/Vi(ç), soit plate jusqu'à une largeur de bande "b", telle que

b>>"W, et de façon que le déphasage e= 4 H(w) à la fréquen10 ce d'entraînement W soit pratiquement égal à zéro Le système d'entraînement asservi à gain élevé produit le mouvement exigé avec une distorsion non linéaire et de phase négligeable.

On va maintenant montrer deux aspects de grande 15 importance: ( 1) La grande largeur de bande et la faible distorsion de phase du système en boucle fermée; et ( 2) L'immunité à une distorsion non linéaire due

à la bobine détectrice de vitesse 72.

( 1) En ce qui concerne l'aspect ( 1) ci-dessus, L fonction de transfert en boucle ouverte du dispositif d'entraînement électrodynamique est donnée par: F = B J " B L u/R c a an R rec: B = induction magnétique; = longueur de la bobine d'entraînement; Rc = résistance de la bobine d'entraînement; J u/Rc; et u = tension d'entrée aux bornes de la bobine (- f) on pose: m = masse de la structure mobile; b = coefficient d'amortissement; et c = constante de rappel de la membrane Si maintenant on a:

19 2551554

2 b F = my+ by + cy -m(s 2 + S + c) y BR u =( 52 + 2 Wn S + cn)y c K B 6; W, f X 1 b m Rc N 2; -2 c c * Ks Y = 2 -2 u s + 2 vn t s+ 2 n En désignant la tension d'entraînement d'entrée par V (signal de sortie du générateur de signal d'entraîi nement 80 sur la figure 5), on peut exprimer la fonction de transfert en boucle fermée par la relation: A Ks s 2 + 2 nis+( 2 n AKS U ' 2 2 K)-W 2 A Ks S ( 2 wn + AKH)sn

1 + 2 22 H

s + 2 w Un s+wn10 dans laquelle H est le facteur de proportionnalité de la

bobine de détection de vitesse 72 sur la figure 5.

On vérifie aisément que K peut être très élevé.

De par sa définition, et en utilisant des unités électromagnétiques, on a: Bt B B K 10 m Rc W Rc Wp avec: W = poids de la masse mobile; e = résistivité de la bobine en cuivre; et

S = aire de section droite du fil de la bobine.

Ainsi, pour B= 10 gauss; W= 100 g; S= 10 cm 2; p (pour le cui20 vre)= 1,6 x 10-6 St cm, on a:

2551554

104 x 10-4 104

K 6 -7 6000

xl, = 1, = 6000 l O Oxl,6 x 106 1,6 En supposant par exemple qu'on ait A 100 O, on

6

voit clairement que AKH est de l'ordre de 105 à 10 Ainsi, AKH > 2 Wn, et la relation y Vi est vérifiée sur une très grande largeur de bande, ce qui fait qu'on peut réduire la distorsion de phase O à une valeur négligeable pour

la fréquence d'excitation de 30-60 Hz.

( 2) En ce qui concerne l'aspect ( 2) ci-dessus,

* 1 1

du fait que y e N Vi, on peut écrire y=h Vi avec h F On exprime de la manière suivante une non-linéarité possible: y = ho Vi + hl Vi pour Vi= Vimcos wt, on a:

* 2 2

y = ho Vimcosw Ut + h 1 Vim 2 cos 2 t = h V 2 h V 2 hl Vim hl Vim 2 ho Vimcoswt + 2 F + 2 L'opération du type sgncosut accomplie par le dispositif de traitement de séparation de signal, et l'intégration sur la période de cycle T, font clairement dispahl V 2 h V 2 cos 2 wt raître les contributions dues à im et 1 im

2 2

Le détecteur de vitesse 72 n'est donc pas critique en ce qui con20 cerne les exigences de linéarité.

On notera que dans le cas de l'application de l'invention à un système de guidage intertiel du type lié au véhicule, une'structure d'accéléromètre 50, comme celle représentée sur la figure 4, comprenant un dispositif d'en25 tralnement à boucle fermée comme celui représenté sur la figure 5, serait utilisée pour chacun des trois axes, avec le boîtier extérieur 52 de la structure d'accéléromètre monté

sur le véhicule (c'est-à-dire le corps mobile) Dans un sys-

21 2551554

tème de guidage inertiel du type à plate-forme stable suspendue à la cardan, le bottier extérieur 52 de la structure d'accéléromètre 50 pour chaque axe serait monté sur

le cardan intérieur de la plate-forme.

Dans une application comme dans l'autre, le mouvement vibratoire de la structure d'accéléromètre peut produire des forces de réaction agissant sur le support du bottier extérieur 52 Pour éviter ces forces parasites produisant un déséquilibre, on peut monter dos à dos deux 10 structures vibrantes, comme il est représenté en 50 a et b sur la figure 6, l'une des structures comprenant un

accéléromètre, comme décrit ci-dessus, qui vibre en synchronisme avec la vibration de l'autre structure, mais en direction opposée, cette dernière structure faisant vibrer une 15 masse d'équilibrage qui équilibre dynamiquement la structure d'accéléromètre.

Configuration à accéléromètre oscillant de la figure 7 La figure 7 montre un second type de configuration à accéléromètre vibrant, c'est-à-dire un type dans le20 quel l'accéléromètre est mis en rotation par un moteur électrique générateur de couple lui communiquant un mouvement oscillatoire angulaire de faible amplitude (par exemple quelques degrés), ce qui rend le mouvement vibratoire presque rectiligne L'axe sensible de l'accéléromètre est paral25 lèle à son axe de rotation Une masse d'équilibrage appropriée est prévue pour équilibrer dynamiquement l'accéléromètre pendant son mouvement oscillatoire, afin qu'aucune

force externe ne soit appliquée au corps sur lequel la structure est montée.

La structure d'accéléromètre représentée sur la figure 7, qui est désignée de façon générale sur cette figure par la référence 100, comprend ainsi un bottier cylindrique extérieur 102 dans lequel un arbre 104 est monté de façon tournante par l'intermédiaire de paliers tournants 106 et 108. 35 Un disque ou une plaque 110 est fixé à l'arbre 104 et fait

22 2551554

fonction d'élément de support destiné à supporter un accéléromètre 112 comportant une masse de mesure 114 Le disque 110 porte également une masse d'équilibrage 116 sur son côté opposé Le disque 110 est entraîné de façon à accomplir un mouvement oscillatoire angulaire de faible amplitude, au moyen d'un moteur électrique générateur de couple qui comprend un stator 118 fixé au boîtier 102 et un rotor 120 fixé à l'arbre 104 Un rotor détecteur 122 est fixé à l'extré10 mité opposée de l'arbre 104 et est monté à l'intérieur

d'un stator détecteur 124 qui est fixé au boîtier 102.

Les connexions électriques peuvent être les mêmes que celles représentées sur la figure 5, et l'amplificateur de puissance différentiel 84 applique le courant d'en15 trainement aux conducteurs du stator 118 du moteur générateur de couple, pour entraîner son rotor 120, et donc l'accéléromètre 112 et la masse d'équilibrage 116 fixés au rotor 120 du moteur, sur un faible mouvement oscillatoire angulaire ayant une amplitude "," Ceci produit le déplace20 ment y ry, en désignant par "r" le rayon à partir de l'axe de rotation 130 de l'arbre 104 jusqu'au centre de gravité de la masse de mesure 114 de l'accéléromètre Ainsi, si t= msinwt, on a y = ruw mcoswt, ce vecteur étant dirigé vers le plan du papier On notera que le mouvement oscilla25 toire de l'accéléromètre 112 vers le plan du papier et dans

la direction opposée est pratiquement un mouvement rectiligne orienté le long d'un axe perpendiculaire à l'axe sensible Z de l'accéléromètre.

A titre d'exemple, "r" peut être d'environ 3 cm; le mouvement oscillatoire angulaire peut être de quelques degrés; et l'amplitude du déplacement de l'accéléromètre peut

être de 0,25 à 3 mm.

Le détecteur 122 fixé à l'arbre 104 détecte la vitesse angulaire ' =W tmcoswt Comme dans le cas du détecteur 35 72 de la figure 5,le signal de sortie du détecteur 122 de la

23 2551554

figure 7 peut etre appliqué en réaction à l'amplificateur différentiel 84, auquel la tension d'entraînement Vi = Vmcoswt est appliquée par le conducteur 82 La vitesse angulaire v dans la configuration de la figure 7 suit donc étroitement la tension d'entraînement Vi=Vmcosut. Cette configuration représentée sur la figure 7 offre un certain nombre d'avantages par rapport à celle décrite ci-dessus en relation avec les figures 4-6, parmi lesquels une plus grande simplicité des éléments mécani10 ques, une précision élevée dans l'obtention du mouvement

et une immunité pratiquement complète vis-à-vis d'accélérations linéaires pour tous les axes.

Configuration à diapason des figures 8 et 9 La figure 8 montre un troisième type de struc15 ture d'accéléromètre vibrante, à savoir une structure utilisant un diapason, qu'on peut employer pour chaque axe sensible du corps mobile afin d'obtenir un équilibrage dynamique des forces, ainsi que des avantages importants décrits ci-après La figure 9 montre une manière de connecter la structure d'accéléromètre vibrante de la figure 8 pour former un oscillateur électromécanique destiné à entretenir des oscillations dans la structure d'accéléromètre à diapason, mais avec un faible niveau de puissance d'entrée, suffisant pour compenser la perte d'énergie due à la friction. 25 En considérant tout d'abord la figure 8, on note que la structure d'accéléromètre vibrante, désignée de-façon générale par la référence 200 sur cette figure, comprend un

bottier cylindrique extérieur 202 dans lequel est monté un diapason 204, comprenant une paire de branches 204 a, 204 b.

Les branches s'étendent parallèlement à l'axe sensible de la structure d'accéléromètre respective, qui est l'axe Z sur la figure 8, et donc perpendiculairement à l'axe de vibration de la structure d'accéléromètre, qui est l'axe Y sur la figure 8 Le diapason 204 est monté dans le boîtier 202 au moyen 35 d'une colonnette de montage 206 qui est fixée sur une plaque

24 2551554

intermédiaire 204 c du diapason.

Le boîtier 202 comprend en outre une autre colonnette 208, alignée avec la colonnette 206 mais espacée par rapport à elle ainsi que par rapport à la plaque 204 c 5 du diapason 204 On utilise la colonnette 208 pour monter, d'un côté, un aimant permanent 210 qui peut coopérer avec une bobine d'entraînement 212, et, de l'autre côté, un aimant permanent 214 qui peut coopérer avec une bobine détectrice 216 Les deux aimants permanents 210 et 214 ont 10 une configuration cylindrique et comprennent des entrefers cylindriques dans lesquels sont placéesrespectivement la bobine d'entraînement 212 et la bobine détectrice 216,

ces deux bobines étant respectivement montées sur des mandrins cylindriques 218 et 220 qui sont fixés sur les faces 15 intérieures des deux branches 204 b et 204 a.

Un accéléromètre 224 comportant une masse 226 est fixé sur la face extérieure de la branche 204 b du diapason, au moyen d'une monture 222 D'une manière similaire, une autre masse 228 est fixée à la face extérieure de la 20 branche 204 a du diapason pour équilibrer l'accéléromètre

224 et sa masse 226.

Les connexions électriques avec la bobine d'entraînement 212 et la bobine détectrice 216, ainsi qu'avec l'accéléromètre 224, sont réalisées au moyen de bornes 230 25 et 232 qui s'étendent à l'extérieur du boîtier 202, et de bornes 234 situées à l'intérieur du boîtier et connectées à

l'accéléromètre 224.

On notera que le diapason 204 sur la figure 8 vibre à sa fréquence naturelle et déplace ainsi l'accéléromètre 224 et sa masse 226 sur la branche 204 b en synchronisme avec la masse d'équilibrage 228 sur la branche 204 a, mais dans des directions opposées Aucune force résultante ne s'exerce donc sur le bottier 202 et, par conséquent, sur un support quelconque auquel la structure d'accéléromètre vibrante 200 est fixée. 35 Comme décrit ci-dessus en relation avec les figures 4 à 6, ce

255155-4

support serait le corps mobile lui-même dans une application dans laquelle le système inertiel est lié au véhicule, et le cardan intérieur d'une plate-forme dans une application utilisant une plate-forme stable suspendue à la cardan La configuration représentée sur la figure 8 procure donc un niveau élevé d'équilibrage dynamique. Du fait du frottement et de l'amortissement, les oscillations du diapason 204 décroîtraient jusqu'à zéro en une durée relativement courte Pour entretenir indéfiniment 10 les oscillations, la structure d'accéléromètre vibrante 200 qui est représentée sur la figure 8 peut être connectée de façon à former un oscillateur électromécanique, comme le

montre la figure 9.

Ainsi, comme le montre la figure 9, le signal pré15 sent aux bornes de la bobine détectrice 216 est appliqué à un amplificateur 240 dont la sortie est connectée à l'entrée de la bobine d'entraînement 212 L'amplificateur 240 a une polarité choisie de façon à renforcer tout déplacement initial des branches 204 a, 204 b du diapason 204 Le système 20 fonctionne ainsi en oscillateur électromécanique ayant une fréquence qui est déterminée par la fréquence naturelle du diapason On peut utiliser cette fréquence naturelle pour synchroniser avec précision la fréquence du multivibrateur

libre 21 sur la figure 2.

L'amplificateur 240 est de préférence du type non linéaire, tel qu'un amplificateur comprenant un dispositif à

saturation, afin de forcer l'oscillateur électromécanique complet à se stabiliser à une amplitude finie.

On voit ainsi que la configuration de structure d'accéléromètre à diapason qui est représentée sur les figures 8 et 9 procure un système d'équilibrage dynamique à cause des masses se déplaçant dans des directions opposées, et n'exige qu'un faible niveau de puissance pour la bobine d'entraînement

212, seulement pour compenser la perte d'énergie due au frot35 tement Du fait que la structure constitue un oscillateur ac-

26 2551554

cordé de façon pointue, elle élimine les perturbations mécaniques dans la direction de l'axe de vibration (axe Y sur la figure 8), à moins qu'elles soient exactement à la fréquence de résonance En outre, la structure est par nature rigide dans la direction de l'axe sensible de l'accéléromètre, c'est-à-dire l'axe Z En outre, du fait que la structure fonctionne à la fréquence naturelle et synchronise le multivibrateur 21 du générateur d'impulsions de commande 2 de la figure 2, il n'apparaft pas de retards de phase entre coswt et sgncoscit De plus, la structure d'accéléromètre est extrêmement simple et peut être construite

de façon économique.

Les avantages qu'on peut obtenir-par l'utilisation d'accéléromètres vibrants, décrits ci-dessus, permet15 tent de construire des Unités de Mesure Inertielles ayant théoriquement un temps moyen de bon fonctionnement (TMBF) très supérieur à celui d'Unités de Mesure Inertielles du

type à gyroscope ou du type à accéléromètre à rotation.

Bien qu'on ait décrit l'invention en considérant 20 plusieurs modes de réalisation préférés, on notera que ceuxci ne sont présentés qu'à titre d'exemple Il existe ainsi de nombreuses autres configurations possibles pour produire le mouvement vibratoire, par exemple par l'utilisation de dispositifs mécaniques, comme des cames ou des accouplements ar25 ticulés, pour transformer un mouvement de rotation, comme celui produit par un moteur électrique (de préférence synchrone), pour donner le mouvement de vibration De nombreuses

autres modifications et applications de l'invention apparaîtront à l'homme de l'art.

Configurations d'accéléromètres appariés On peut parvenir à des améliorations importantes du niveau de signal aussi bien pour le canal de force que pour le canal de vitesse de rotation, tout en obtenant simultanément une réduction du bruit du signal, en utilisant pour cha35 que axe de rotation des paires d'accéléromètres, au lieu d'un

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seul accéléromètre, comme il est représenté sur la figure 3 Les figures 10 à 12 représentent de façon simplifiée trois configurations d'accéléromètres appariés Un avantage important de l'utilisation d'accéléromètres associés par paires, comme sur les figures 10 à 12, consiste en ce que le bruit présent dans le canal de force comme dans le canal de vitesse de rotation de la figure 2 n'est multiplié que par la racine carrée de deux, tandis que les signaux effectifs de force et de vitesse de rotation sont doublés, 10 ce qui multiplie effectivement le rapport signal à bruit par la racine carrée de deux En outre, des perturbations

d'accélération courantes dans le canal de vitesse de rotation, dues à des forces externes qui peuvent résulter de sources concernant le véhicule et des moyens mécaniques, 15 sont pratiquement annulées dans ce type de configuration.

La première configuration d'accéléromètres appariés est représentée sur la figure 10, sur laquelle deux accéléromètres 300 et 302 sont montés sur une embase tournante 304 qui vibre autour de l'axe Z 306, comme l'indiquent 20 les flèches 308 Les axes de détection de force A 1 et A 2 des z z

accéléromètres 300 et 302 sont alignés de façon à être parallèles à l'axe Z 306 autour duquel vibre le support 304.

Du fait que la configuration de la figure 10 comprend une paire d'accéléromètres dont les axes de détection de force A 1 et A 2 sont parallèles à l'axe de vibration 306, on appelz z

lera ci-après cette configuration la configuration PAPAV.

La seconde configuration d'accéléromètres appariés est représentée sur la figure 11, sur laquelle deux accéléromètres 310 et 312 sont montés sur un support 314 qui effectue une vibration angulaire autour de l'axe Z indiqué en 318, comme le suggèrent les flèches 316 Dans cette configuration, les accéléromètres 310 et 312 sont fixés au support 314 en une configuration dos à dos, de telle façon que les axes de détection de force A 1 et A 2 soient parallèx x les, mais orientés dans des directions opposées, et soient

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normaux à l'axe de vibration angulaire 318 On appellera ci-après cette configuration la configuration PANAV pour indiquer qu'il s'agit d'une paire d'accéléromètres soumis à un mouvement angulaire avec leurs axes de détection de force normaux à l'axe de vibration ou de mouvement angulaire. La troisième configuration est représentée sur la figure 12, sur laquelle une paire d'accéléromètres 320 et 322 sont disposés dos à dos avec leurs axes de détection 10 de force A 1 et 2 orientés dans des directions parallèles y Ay mais opposées Dans cette configuration, on fait vibrer les accéléromètres 320 et 322 dans une direction linéaire le long de l'axe X, comme l'indiquent des flèches 324 et 326 Par commodité, on appellera ci-après cette configura15 tion PLNAV, du fait qu'il s'agit d'une configuration d'accéléromètres appariés'qu'on fait vibrer d'une manière linéaire le long d'un axe de vibration qui est normal à l'axe

de détection de force.

Les figures 13-15 correspondent respectivement 20 aux configurations PAPAV, PANAV et PLNAV des figures 1012, et illustrent le principe selon lequel on peut arranger en triades les accéléromètres appropriés Sur les figures 13-15, les accéléromètres sont désignés par leurs axes de

1 2 1 2 1 2

détection de force Ax, A, Ay A A, et A et effectuent une détection de force et une détection de vitesse angulaire

selon les axes orthogonaux X, Y et Z, et autour de ces axes.

Les configurations représentées sur les figures 13-15 conviennent à l'utilisation dans un système de référence inertiel qui peut à son tour 8 tre utilisé dans un Système de 30 Navigation Inertiel.

La configuration PAPAV qui est représentée sur les figures 10 et 13 exige six accéléromètres, à savoir Ax, AX, 1 2 1 2 x X A 1, A 1 et A On fait vibrer les paires d'accéléromètres Ay y z z' avec une fréquence angulaire constante Lu et des amplitudes 35 angulaires constantes M Le principe de la séparation des

29 2551554

signaux de force et de vitesse angulaire est pratiquement le même que celui représenté sur la figure 2 Les signaux de sortie des accéléromètres comprennent la même information fondamentale pour la rotation et pour la force F, bien que le signal réel soit quelque peu différent. Dans l'établissement des équations qui décrivent le signal des accéléromètres de la figure 13, la distance instantanée de chaque accéléromètre par rapport au centre de rotation du véhicule est donnée par: r A L Cos 6 z 1 +L Sin -Al O -L Cos lz-L Sin 6 x z A 1 lx+L Sin O L Cos S O = = lx-L Sin 6 O -L Cos 6 ( 6) y x r-Az L Cos 5 ly+L Sin O k -A-L Cos 6 ly-L Sin 6 ave c 6 = 6 M Swt ( 7) w= S M Cwt ( 8) et en supposant 6 <" 1 Sin 6 6 = 6 MS wt ( 9) Cos d 1-1/2 6 M 252 wt ( 1 ut) avec

L A P/2

L 61 M = P/2

2551554 En reportant ensuite les équations ( 6) ( 10) dans l'équation ( 1) et en développant, on obtient les équations de sortie d'accéléromètres suivantes: a + Fx + lz(pr+q) + S wt(pr+q) + L(qp-r) + 2 W -2-CW t(q+ 6 MSW t* r) -1/2 L 6 Mi 252 W t(qp-r) 2 " C -2 t( 1/2) 5 W 1252 W t q a 2 = F + Iz(pr+q) 2 S <t(pr+q) L(qp-) -2 w-Q Cw t(q+ 6 MS W t r) + 1/2 L '1252 W t(qp-r) + 2 tú -f C wt(l/2) 1 j 252 W t -q ( 12) a 1 = Fy + Ix(pq+ ) + -f Sw t(pq+r) + L(qr-p) + 2 <o-"C wt(r+ %IS jt p) -1/2 L 6 M 252 w, t(qr-p) 2 w C t( 1/2) 6 M 252 t-r ( 13) 10 a 2 =Fy+lx(pq+) j-S wt(pq+>)- L(qr-) -2 wf-Cwt(r+ %,Swt p) + 1/2 L 6 M 252 W t(qr-p) + 2-Cto Cw t( 1/2) Mi 252 t-r ( 14) a = Fz + 1 y(qr+e) + Sw t(qr+p) + L(pr-q) + 2 w-C wt(p+ M Sw t-q) 8-z y 2 2 t(+ MS Wtq -L 1/2 6 SM 252 t(pr-q) 2 W -C W t( 1/2) 6 M 252 top ( 15) a = Fz + ly(qr+p) q S, t(qr+p) L(pr-c) 2 w Cw t(p+ 6 MS W t q) + + L 1/2 6 M 252 wt(pr-q) + 2 wj-C wt(l/2) 41252 tcp ( 16) Ni 2 Avant d'entrer dans le dispositif de traitement de signal de la figure 19, les signaux des accéléromètres sont pré-traités pour donner des sommes et des différences, de la manière représentée sur la figure 19, conformément à 20 l'équation matricielle suivante:

31 2551554

q 1 1 O O O O a y x

0 O O I O O |

a Pz O 0 0 0 l I z F = 1/2 1/2 O O O O a ( 1) y F y O O 1/2 1/2 O O a y ez Z o O O O O 1/2 112 az En supposant à nouveau que F et Q Lsontpratiquement constants dans l'intervalle T, toutes les dérivées par rapport au temps disparaissent dans les équations ( 11 l) ( 16). O 10 Par substitution de façon correspondante dans l'équation ( 17) et développement, on obtient: Bq= 2 wop C mt(q+ 6 M Swt-r)+ P Swt pr+ 2 Lqpx -L 6252 ut qp 2 twp C t(l/2) 6252 wtq ( 18) y-r= 2 Ap Cwt(r+ M Swt p)+ p S$tpq+ 2 Lrqy -L 6 M 252 u rq-2 wp C wt( 1/2)6 M 252 wtr ( 19) a P= 2 wp C wt(p+ 6 MS wt q)+ p S $tqr+ 2 Lpr z -L 6 M 252 t ptpr-2 wp Cwt( 1/2) 6 M 252 wtop ( 20) F ax X= F + zpr F a Y=F + qp ( 21) y y + Fz z=Fz + 1 yqr On obtient ainsi deux avantages importants par la configuration appariée, c'est-à-dire que toutes les composantes de force spécifique sont supprimées dans les signaux d'accélération dans les équations ( 18) ( 20), et toutes les composantes de vitesse angulaire sont supprimées dans les signaux correspondant à l'équation ( 21) Ceci améliore notablement le découplage de F par rapport à <L Des termes de bruit de mode commun dus au bruit du véhicule sont également supprimés dans le canal de -L, comme on peut le 10 voir d'après les équations ( 18) ( 20) Pour obtenir des estimations de p, q et r définies par l'équation ( 22) cidessous, P= ï) a Sgn(C W Udt r T q= a J Sgn(C& t)dt ( 22) = = f T Sgn(Cwt)dt on reporte dans l'équation ( 22) les termes p, q et r dans les équations ( 18-20), et pour obtenir des estimations de Fx, Fy et Fz, définies par l'équation ( 23) ci-dessous, V 2 y J dt ( 23) z 1 T Fz T U Ot

33 2551554

on reporte dans l'équation ( 23) les termes Fx, Fy et Fz de l'équation ( 21) Les résultats correspondants sont les suivants: * p P=PU-1/6 Ma) q = q( 1 -1/6 6 M) ( 24) 2) r= r( 1/66 M 2) Fx = Fx + zpr Fy Fy xpq ( 25) Fz= Fz +yqr Les termes p, q et r sont ainsi déterminés avec précision, à l'exception d'un facteur de proportionnalité constant connu et les termes Fx, Fy et Fz sont les mêmes que ceux

déterminés précédemment.

On peut voir d'après les équations ci-dessus que les signaux de sortie obtenus sont à de nombreux égards équivalents à ceux de la configuration utilisant un seul accéléromètre De plus, l'effet du bruit du véhicule dans le canal est presque annulé à cause de la réjection de mode commun qui est obtenue par l'appariement des accéléromètres, 20 de la manière indiquée par l'équation ( 24) Cependant, des gradients dans le bruit du véhicule dans la direction de L maintiennent encore un certain bruit dans le canalde QCL Par conséquent, du fait que L sera normalement de quelques centimètres, le bruit du véhicule n'est pas entièrement annulé. 25 Du fait d'une vibration angulaire résiduelle possible de l'axe d'entra Tnement, un bruit résiduel synchrone et incontr 8 lé peut être maintenu et apparaître sous la forme d'une polarisation inconnue dans le canal de_ a De plus, la configuration de la figure 13 est en principe équilibrée dynamiquement. 30 Comme le montre la figure 14, la configuration A PANAV utilise six accéléromètres A 1 x, A 2, A 1, A 2 A et X' x' y' Z e A Ici encore, on fait vibrer les paires d'accéléromèz tres à une fréquence angulaire W et avec une amplitude angulaire 9 Les signaux de sortie des accéléromètres contiennent l'information -L et F comme précédemment, mais avec des termes dynamiques supplémentaires différents.

Comme avec la configuration PAPAV de la figure 13, le principe fondamental de la séparation de signal n'est pas changé Cette configuration a également l'avantage d'une réjec10 tion presque parfaite du bruit dû au véhicule.

Dans la configuration qui est représentée sur la figure 14, la distance instantanée de chaque accéléromètre par rapport au centre de rotation du véhicule est: lr A L Cos O lz 4 Lsin l

2 I

-LA 2 -L Cos O lz-L Sin 6 x z -Ay = x+L Sin S L Cos S O i LA 2 I x-L Sin 6 -L Cos O O I ( 26) y r 1 -Az O I jj 5 L Cos S 6 -L Az O O ly+L Sin 6 L Cos 6 l r Az O ly-L Sin 6 -L Cos 6 Z Az Du fait que dans cette configuration, les axes d'entrée des accéléromètres changent de direction par rapport aux axes du corps, les composantes détectées sont modulées Par exemple, les axes d'entrée varient en fonction de:

lCos& i, O j, Sin& kl.

1 1 1

En désignant par ax, a, et az, l'accélération totale qui serait détectée dans les directions des axes du

corps dans le cas d'un mouvement parallèle idéal, l'accéléra-

2551554

tion réelle détectée par les accéléromètres soumis à une vibration angulaire est donnée par: a 1 Co = O Sin 6 a 2 -Cos 6 O -Sin 6 x a 1 'in 6 Cos 6 O ' y 'X a | -Sin 6 -C 6 O a ( 27) ay ly I O Sin Cos 6 a z' z az 2 0 -Sin 6 -Cos 6 z En utilisant les équations ( 7) ( 10) et en substituant les équations ( 26) et ( 27) dans l'équation ( 1) et en développant, on peut représenter les signaux de sori 2 tie réels de la paire d'accéléromètres pour a 1 et a 2 par x x a = Fx+ (pr+))-L(q 2 +r 2)+ p S wt pr + 2 W C t q + + 6 M StlFz (p 2 +q 2)l + 1/2 6 M 252 wtl-x-F z(Pr+) 78) + 2 L(r 2-p 2)l -L 62 W 2 C 2 wt a 2 =-F z(pr+q)-L(q 2 +r 2)+ p S mt-pr + 2 C wtt q

X X Z 2,

+ 6 MS wtl-Fú+z(p 2 +q 2)l + 1/2 6 M 252 W tlFx+k(pr+) ( 29) -2 L(r 2-p 2) l -L 6 M 2 2 C 2 wt Cette substitution donne des équations similaires pour 20 ay, a et az z Du fait que la configuration PANAV des figures 11

36 2551554

et 14 est une configuration dos à dos, l'opération de prétraitement de la figure 19 pour cette configuration est représentée par l'équation matricielle suivante: a l 0 O 0 0 a 1 r 2 ay o 1 1 O O ax y Y OP = O O i O i ai, F i x 21 ai O O 1/2 -/12 a O 1 ay a = 0 0 | O O l a ay

*F 121

a z O O O 1/ /2 1/20 azi ( 29 >, aisauze qaiossmlie En substituant dans l'équation ( 30) les équations ( 28) et ( 29), ainsi que des équations similaires pour a', a a 2 y' y' z et a 2, et en supposant que F eta L s Ont constants sur toute la période T, on obtient: ax = 2 wp Cwt q+ p S tp 2 L(q 2 +r 2)+ 1/2 252 wtl 2 r 2 L-4 Lp 2 +q 2)l 15 -2 L-w 2 &M 2 C 2 t ( 31) M avec des équations similaires pour ar et ap, et on obtient l'équation ( 321 ci-dessous pour a X et des équations similaires pour ay et az y z F ax =Fx+zpr+ 6 MS m tlFz z(p 2 +q 2)l + 1/2 &M 2 Se wtl -Fx-i prl ( 32) En substituant dans les équations ( 22) et ( 23) les équations

relatives à la composante de vitesse angulaire des accéléra-

37 2551554

tions, comme l'équation ( 31), et les équations relatives à la composante de force des accélérations, comme l'équation ( 32), on obtient: q = q q=q ( 33) r=r Fx =(F +i Pr)( 1

M ( 34)

Fy =(F *+pq)()( 34 y y x 4 F=(F +i qr) -L at) z y 4 Ainsi, dans la configuration PANAV, les vitesses angulaires sont déterminées de façon exacte et les forces spécifiques

sont déterminées à un facteur de proportionnalité connu près.

On voit d'après les équations ci-dessus que dans les configurations dos à dos, tout le bruit lié au véhicule 15 est éliminé dans le canal de Ceci est vrai pour des gradients ou des accélérations angulaires possibles Un bruit résiduel synchrone possible de l'axe de vibration, comprenant un bruit angulaire normal à l'axe de vibration, est également éliminé dans le canalder L Les configurations dos 20 à dos sont également sensibles à des effets de redressement

possibles dans le canal F qui résultent de composantes périodiques normales aux axes d'entrée des paires d'accéléromètres.

On peut cependant compenser cet effet par des moyens électroniques Bien que les paires d'accéléromètres soient soumises 25 à une force centrifuge due à leur mouvement angulaire, le fait est que la fréquence 2 X permet d'éliminer cet effet

dans le dispositif de traitement de la figure 19 L'angle de phase des signaux dans le processeur n'aura pas d'effet ici.

Cependant, avec par exemple L= 15 mm et 8 = 1/15 radian, et

-1 2

pour (= 200 S 1, cet effet s'élève à 3 m/s, ce qui consomme une partie de la gamme effective de l'accéléromètre Il faut noter que des harmoniques résiduels dans le

mouvement S X t maintiennent des composantes en phase iné5 gales dans l'accélération centripète, ce qui contribue à un décalage possible du zéro.

Les configurations PLNAV représentées sur les figures 12 et 15 sont similaires aux configurations PANAV, à l'exception du fait que le mouvement des accéléromètres 10 320 et 322 est linéaire D'après la figure 15, la distance instantanée par rapport au centre de rotation du véhicule est: r A L 1 + 2 s Lt | r Ai| | z+ -t L e t 4 ( 5 r A -L+ r A 1 z + I-Swt L r 2 S EA + si -Swt L ' ( y x 2 r A -35) Y x 2 S t -L r A =S wt a-F-(p Z y + 2 + ( r A O 1 Swt -L Z y 2 En substituant l'équation ( 36) ci-dessous dans 20 l'équation ( 1) et en développant, on obtient les équations suivantes pour a 1 et a 2: x x x F + S (pr+j) ±f S 2 t(Pr±)+ 2 t cwtqL(q 2 +r 2) ( 36) a 2 = -F -I (pr+ 4) + Sw L 3 t(pr*' + 2 w,-0-C wt q L(q 2 +r 2) ( 32) X ' X et la substitution donne également des équations similaires pour ay, a, az et az y y z z En substituant dans l'équation ( 30) les équa1 2 tions ( 36) et ( 37), ainsi que les équations pour a ay, i 2 a et a et en supposant que F et D Lsont constants sur z toute la période T, on obtient: aq = 2 w C wt q+ p Swt pr 2 L(q 2 +r 2) ( 38) ar = 2 W O p Cwt r+ p Swt-pq-2 L(p 2 +r 2) ( 39) y a P = 2 p C Qt'p -p S t qr 2 L(p 2 +q 2) ( 40) F a X Fx + lz Pr( 4) F y Fy+ xpq ( 42) F azz F +lzqr ( 43) On obtient ici p, q, r, Fx, Fy et Fz comme précédemment en reportant respectivement les équations ( 38)15 ( 43) dans les équations ( 22) et ( 23) Les résultats sont les suivants: p= p q= q ( 44) r=r Fx = Fx +lzpr =F + pq Fy Fy xq Fz = Fz +lyqr

2551554

Par conséquent, dans cette configuration, toutes les composantes de bruit de mode commun lié au véhicule sont fondamentalement éliminées, comme dans la configuration PANAV Le petit écart périodique lié àX,par rapport à une condition exactement colinéaire des axes d'entrée, varie en fonction de S ut Par conséquent, un bruit possible dû à l'accélération angulaire est éliminé par l'opération Sgn (C Wt) du dispositif de traitement de la figure 19 La force centripète due à l'excitation périodique 10 n'existe pas, comme dans la configuration PANAV. Les figures 16 à 18 montrent des appareils qui sont respectivement destinés à mettre en oeuvre la configuration PAPAV de la figure 10, la configuration PANAV de la figure 11 et la configuration PLNAV de la figure 12 Le dispositif destiné à mettre en oeuvre la configuration PAPAV est représenté sur la figure 16 et comprend un bottier 330 qui comporte une paire de connecteurs d'entrée/ sortie 332 et 334 Un arbre 340 est fixé au bottier 330 par une paire de paliers ou de joints flexibles 336 et 20 338 Les accéléromètres appariés 300 et 302 sont montés sur l'élément ou châssis de support d'accéléromètres 304 qui est fixé à son tour à l'arbre 340 de façon à tourner avec lui La vibration de rotation de l'arbre 340 est produite par un moteur qui comporte un rotor 342 accouplé à 25 l'arbre 340 et un stator 344 fixé au bottier 330 Des signaux fournissant une information de position ou de vitesse pour un signal de réaction destiné à un asservissement d'entra;nement ayant pour fonction de commander l'amplitude Y

de la vibration de l'arbre 340, peurent 8 tre obtenus à par30 tir de la configuration de détection qui est indiquée de façon générale en 346.

La figure 17 montre un dispositif destiné à la mise en oeuvre de la configuration PANAV, dans lequel les

accéléromètres 310 et 312 sont montés sur le support 314 qui 35 est luimême fixé à un arbre 348 L'arbre 348 est fixé de fa-

41 2551554

gon tournante à l'intérieur d'un boîtier 350 au moyen d'une paire de paliers ou de joints flexibles 352 et 354 La vibration angulaire de l'arbre 348, et donc des accéléromètres 310 et 312, est produite par un moteur électrique qui 5 comporte un rotor 356 fixé à l'arbre 348 et un stator 358 fixé au bottier 350 On peut obtenir des signaux du mouvement des accéléromètres 310 et 312 au moyen du dispositif de détection qui est indiqué de façon générale en 360,

pour produire une réaction négative destinée à un asservis10 sement d'entraînement qui commande l'amplitude & de la vibration de l'arbre 348.

La figure 18 montre un dispositif destiné à mettre en oeuvre la configuration PLNAV de la figure 12 Dans cette réalisation particulière, la translation des accé15 léromètres 320 et 322 le long des axes 324 et 326, comme il est représenté sur la figure 12, est produite par un mécanisme qui comprend un chassis de support 362 qui maintient les accéléromètres 320 et 322 et qui est fixé à un boîtier 364 au moyen d'une paire d'éléments d'accouplement flexi20 bles 366 et 368 Un élément de liaison 370 porte contre la partie inférieure du châssis de support d'accéléromètres

362 et cet élément est fixé à son tour à un arbre 372.

L'arbre 372 est fixé de façon tournante à l'intérieur du boitier 364 au moyen d'une paire de paliers ou de joints flexi25 bles 374 et 376 Un moteur électrique comportant un rotor 378 fixé à l'arbre 372 et un stator 380 fixé au bottier 364 fait tourner ou vibrer l'arbre -372 en avant et en arrière sur une plage de rotation très limitée Lorsque l'arbre 372 tourne en avant et en arrière sur un petit angle, l'élément 30 de liaison 370 déplace des accéléromètres 320 et 322 dans des directions pratiquement normales aux axes de détection

1 2

de force A et A Il en résulte qu'on peut obtenir un mouvey y ment pratiquement linéaire des accéléromètres 320 et 322, dans une direction normale à leurs axes de détection de force,en 35 utilisant lé mécanisme de la figure 18 On peut obtenir des

42 2551554

signaux représentant la position ou la vitesse angulaire de l'arbre, pour l'utilisation par un asservissement d'entraînement, au moyen du dispositif de détection qui est

indiqué de façon générale en 382.

La figure 19 montre le mode de réalisation préféré d'un dispositif de traitement de signal destiné à séparer les signaux de force F par rapport aux signaux de vitesse angulaire __, pour les configurations d'accéléromètres appariés des figures 10 à 13 Le fonctionnement fon10 damental du circuit de traitement représenté sur la figure 19 est le même que celui du circuit de séparation de signal de la figure 2 Par exemple, le générateur d'impulsions de commande 2 est le même que celui représenté sur la figure 2, et une ligne 384 connecte le générateur de signal car15 ré 22, représenté sur la figure 2 au générateur de signal d'entraînement 31 D'une manière similaire, le signal de sortie du générateur d'impulsions de commande de remise à zéro et d'intégration 23 est transmis par une ligne 386 à partir du générateur d'impuisions de commande 2, et le si20 gnal de sortie du générateur d'impulsions d'échantillonnage 24 est transmis par une ligne 388 Du fait que les configurations d'accéléromètres appariés utilisent deux accéléromètres, la figure 19 montre deux structures d'accéléromètres 390 et 392 qui correspondent aux accéléromètres 300 et 25 302 sur la figure 10, aux accéléromètres 310 et 312 sur la

figure 11 et aux accéléromètres 320 et 322 sur la figure 12.

Les signaux de sortie des accéléromètres a I et a 2 sont émis z z

par les structures d'accéléromètres 390 et 392 sur deux lignes respectives 394 et 396.

La séparation des signaux est accomplie de façon générale dans le circuit de la figure 19 par les mêmes moyens que dans le circuit de la figure 2, à l'exception du fait que le canal de force produisant le signal F sur une z ligne 398 et le canal de vitesse angulaire produisant le si35 gnal p sur une ligne 400 sont représentés sur la figure 19 sous la forme de deux circuits séparés Comme le montre la figure 19, un circuit de canal de force 402 comprend le circuit intégrateur 44 et le circuit échantillonneurbloqueur 45 du dispositif de traitement de séparation de signal électronique 4 de la figure 2, et les signaux présents sur les lignes 386 et 388 sont appliqués au circuit intégrateur 44 et au circuit échantillonneur-bloqueur 45, comme le montre la figure 2 D'une manière similaire, un circuit de canal de vitesse angulaire 404 comprend le cir10 cuit intégrateur 42 et le circuit échantillonneur-bloqueur 43 de la figure 2, ainsi que le circuit de multiplication ou de commutation de signe 41 Les signaux présents sur les lignes 386 et 388 sont appliqués au circuit intégrateur 42 et au circuit échantillonneur-bloqueur 43, de mê15 me que le signal sous forme d'impulsions présent sur la ligne 384, de la même manière que celle représentée sur la

figure 2.

L'un des avantages essentiels de la configuration d'accéléromètres appariés consiste dans la possibilité 20 d'utiliser des techniques de somme et de différence pour séparer ceux de ces signaux qui concernent essentiellement un mouvement de translation, par rapport aux signaux qui concernent essentiellement des mouvement angulaires Pour être capable d'annuler des signaux de force spécifique linéaire qui sont émis par des accéléromètres appariés, il est nécessaire que les axes de détection de force soient aussi parallèles que possible, et qu'en outre les centres de masse effectifs soient aussi proches que possible Les axes de détection de force des accéléromètres peuvent être orientés dans 30 la même direction ou dans des directions opposées, et ceci est une affaire de commodité dans la conception du montage des accéléromètres Dans un cas comme dans l'autre, le processus de séparation est rendu possible par le fait que le mécanisme qui produit le mouvement vibratoire est conçu de façon que les facteurs de'vitesse d'entraînement soient à tout moment égaux

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et opposés, lorsqu'on les mesure dans le référentiel du boîtier. Un circuit de pré-traitement destiné à remplir

les fonctions de calcul de somme et de différence est re5 présenté dans le cadre en pointillés 406 sur la figure 19.

Le circuit de pré-traitement ou de pré-séparation 406 comprend deux jonctions de sommation 408 et 410 Le circuit de pré-traitement particulier 406 qui est représenté sur la figure 19 est-utilisé pour des configurations dans les10 quelles les axes de détection de force sont dans la même direction, comme dans le cas de la configuration PAPAV représentée sur la figure 10 et, de ce fait, il met en oeuvre la logique de l'équation ( 17) La jonction de sommation 408 a ici pour action d'appliquer au canal de force 402 un 15 signal qui représente la somme des signaux des accéléromètres sur les lignes 394 et 396 D'une manière similaire, la jonction de sommation 410 applique au canal de vitesse angulaire 404 un signal qui représente la différence entre les signaux des accéléromètres sur les lignes 394 et 396. 20 On suppose que les signaux de force spécifique qui ne correspondent pas à une rotation seront pratiquement égaux sur les lignes 394 et 396, ce qui fait que le signal sommé sur la ligne 92 procurera en fait une sensibilité double pour la force spécifique mesurée par les accéléromètres le long 25 des axes de détection de force De façon similaire, le signal de différence sur la ligne 414 sera pratiquement exempt de composantes représentant une force spécifique Inversement, un mouvement de rotation pure produira deux accélérations de Coriolis sinusoïdales dans les directions des axes de détec30 tion de force des accéléromètres, avec une différence de 1800 Cette différence de phase apparaît du fait que les accélérations de Coriolis sont le produit vectoriel de la vitesse angulaire et de la vitesse relative et, dans ce cas, la vitesse angulaire est la même, tandis que les vitesses re35 latives sont déphasées de 180 Il en résulte que le signal de sortie de la jonction de sommation 408, sur la ligne 412, sera pratiquement exempt de composantes représentant une rotation Pour la même raison, la sortie de la jonction de sommation 410, sur la ligne 414, appliquera au canal de vitesse angulaire 404 un signal ayant une sensibilité double vis-à-vis de la vitesse angulaire. Dans les configurations telles que la configuration PANAV de la figure 11 et la configuration PLNAV de la figure 12, dans lesquelles les axes de détection de for10 ce ont le sens opposé, les mêmes principes s'appliquent à l'exception, bien entendu, du fait que les signes des signaux sont inversés Ainsi, dans le circuit de pré-traitement 406 pour les configurations PANAV et PLNAV, la jonction de sommation 408 soustrairait les signaux d'accéléra15 tion sur les lignes 394 et 396, et la jonction de sommation 408 additionnerait les signaux sur les lignes 394 et 396, d'une manière qui est de façon générale conforme aux relations exprimées par l'équation ( 30) Il en résulte que le signal sommé provenant de la jonction de sommation 408 20 contiendra uniquement une information de vitesse angulaire, tandis que le signal de différence provenant de la jonction de sommation 408 contiendra uniquement une information de force spécifique On peut donc voir que le circuit de prétraitement 406 a pour effet de séparer le signal de force spécifique par rapport au signal de vitesse angulaire, avant que les signaux soient appliqués au canal de force 402 et

au canal de vitesse angulaire 404.

Un avantage supplémentaire de la configuration de circuit représentée sur la figure 19 consiste en ce que les 30 techniques de somme et de différence mises en oeuvre par le circuit de pré-traitement 406 peuvent être utilisées pour faciliter le cadrage des signaux appliqués au canal de force 402 et au canal de vitesse angulaire 404 Le cadrage est illustré au moyen d'une paire d'amplificateurs de cadrage 416 et 418 On peut utiliser les amplificateurs de cadrage 416 et

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418 pour cadrer le niveau de signaux qui sont appliqués au canal de force 402 et au canal de vitesse angulaire 404, sans avoir à se préoccuper du niveau du signal de sortie des accéléromètres Ceci est particulièrement important lorsqu'on considère que les amplitudes des signaux représentant la force spécifique F peuvent être 100 fois supéz rieures aux amplitudes des signaux relatifs à la vitesse angulaire p On peut ainsi régler les valeurs des constantes de gain KF et KL des amplificateurs en fonction des 10 amplitudes de signal prévues sur les lignes 412 et 414,

pour permettre la séparation maximale des signaux sans dépasser la plage de fonctionnement des circuits 402 et 404.

De façon similaire, on peut commuter les gains KF et K du Système de Navigation Inertiel pour augmenter la sensibili15 té et donc pour améliorer la résolution au cours du processus de réglage du système de navigation Pendant une mission, il peut être nécessaire de réduire temporairement la sensibilité du canal de détection de force ou du canal de détection de vitesse de rotation, pour éviter de dépas20 ser la plage de fonctionnement des circuits 402 et 430 au cours de manoeuvres transitoires du véhicule contenant le système de navigation On a choisi F et p à titre d'exemz

ple de l'une des paires de composantes de F et L- Des considérations identiques s'appliquent à F et q et à F et r.

x y Du fait que l'une des principales utilisations des signaux de vitesse angulaire ú produits par les systèmes d'accéléromètres envisagés ici concerne les Systèmes de Navigation Inertiels, l'effet des signaux de bruit et d'erreur sur le système de navigation est une considération 30 importante Il apparaît que le bruit des accéléromètres présent dans le signal de sortie du canal de vitesse angulaire 404 est un facteur principal dans la précision d'un Système de Navigation Inertiel utilisant des accéléromètres pour déterminer la vitesse angulaire L'effet du bruit des accélé35 romètres pour un niveau donné de ce bruit est inversement proportionnel à l'amplitude de vibratione A titre d'exemple, on a trouvé en utilisant l'accéléromètre QA-2000 commercialisé par Sundstrand Data Control, Inc, que l'erreur de position est d'environ deux milles nautiques pour une amplitude de vibration ç d'environ 1,25 mm. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté,

sans sortir du cadre de l'invention.

48 2551554

Claims (27)

REVENDICATIONS

1 Dispositif destiné à produire un signal représentant le mouvement correspondant à la vitesse angulaire d'une structure, caractérisé en ce qu'il comprend: 5 un premier accéléromètre ( 300, 310, 320, 390) comprenant des moyens destinés à produire un premier signal de sortie représentant l'accélération dans la direction d'un premier axe de détection de force; un second accéléromètre ( 302, 312, 322, 392) destiné à produire un second signal de sor10 tie représentant l'accélération dans la direction d'un second axe de détection de force; des moyens d'alignement ( 304, 314) destinés à aligner le premier accéléromètre par rapport au second accéléromètre, de façon que le premier axe de détection de force soit pratiquement parallèle au 15 second axe de détection de force; des moyens de vibration ( 346, 360, 382, 31) accouplés fonctionnellement à la structure et aux moyens d'alignement pour faire vibrer les premier et second accéléromètres par rapport à la structure à une fréquence W et dans une direction pratiquement perpen20 diculaire aux premier et second axes de détection de force; et des moyens de traitement de signal ( 4, 402, 404) qui fonctionnent sous la dépendance des premier et second signaux de sortie de façon à produire un signal de vitesse angulaire représentant le mouvement angulaire de la structure autour 25 d'un axe perpendiculaire au plan de l'axe de détection de

force et de la direction de vibration.

2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vibration est angulaire.

3 Dispositif selon la revendication 1, caractéri30 sé en ce que la vibration est pratiquement linéaire.

4 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de vibration ( 346, 360, 382, 31) font vibrer les premier et second accéléromètres d'une manière

telle que les composantes de translation de la vibration 35 soient pratiquement égales et opposées.

Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les premier et second accéléromètres ( 300, 302) sont alignés par les moyens d'alignement ( 304) de façon que les premier et second axes de détection de force soient parallèles à l'axe de vibration angulaire ( 306). 6 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les premier et second axes de détection

de force sont pratiquement équidistants de l'axe de vibra10 tion angulaire ( 306).

7 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les premier et second accéléromètres ( 310,

312) sont alignés par les moyens d'alignement ( 314) d'une manière telle que les premier et second axes de détection 15 de force soient opposés et pratiquement mutuellement coaxiaux.

8 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'axe de vibration ( 318) est perpendiculaire aux premier et second axes de détection de force et 20 est placé entre les premier et second accéléromètres ( 310, 312).

9 Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'angle de vibration est d'environ 50 milliradians crête à crête.

10 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les premier et second accéléromètres ( 320, 322) sont alignés par les moyens d'alignement ( 366, 368,

370) de façon que les premier et second axes de détection de force soient opposés et soient pratiquement mutuellement coa30 xiaux.

11 Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'amplitude de vibration est d'environ 2 millimètres crête à crête.

12 Dispositif selon la revendication 1, caractéri35 sé en ce qu'il comprend en outre des moyens de pré-traitement

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( 406) qui sont connectés fonctionnellement entre les premier et second accéléromètres ( 390, 392) et les moyens de traitement de signal ( 402, 404),pour appliquer la somme des premier et second signaux de sortie aux moyens de traitement de signal.

13 Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que les moyens de pré-traitement ( 406) appliquent la différence des premier et second signaux de sortie aux moyens de traitement de signal ( 402, 404).

14 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de traitement de signal ( 402, 404) comprennent un canal de force ( 402) qui réagit aux premier et second signaux de sortie en produisant un signal de force qui représente l'accélération du dispositif 15 dans les directions des axes de détection de force, et un canal de vitesse angulaire ( 404) qui réagit aux premier et second signaux de sortie en produisant le signal de vitesse angulaire. Dispositif selon la revendication 14, carac20 térisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de pré-séparation ( 406) connectés fonctionnellement entre les premier et second accéléromètres ( 390, 392) et les moyens de traitement de signal ( 402, 404), pour combiner les premier et second signaux de sortie en un premier signal combiné des25 tiné à être appliqué à l'entrée du canal de force ( 402), et pour combiner les premier et second signaux de sortie en un second signal combiné destiné à être appliqué à l'entrée du

canal de vitesse angulaire ( 404).

16 Dispositif selon la revendication 15, carac30 térisé en ce que les premier et second axes de détection de force sont alignés dans la même direction, et en ce que le premier signal combiné est lié fonctionnellement-à la somme des premier et second signaux de sortie, tandis que le second

signal combiné est lié fonctionnellement à la différence en35 tre les premier et second signaux de sortie.

51 2551554

17 Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que les premier et second axes de détec tion de force sont alignés dans des directions opposées, et en ce que le premier signal combiné est lié fonction5 nellement à la différence entre les premier et second signaux de sortie, tandis que le second signal combiné est

lié fonctionnellement à la somme des premier et second signaux de sortie.

18 Dispositif selon la revendication 1, carac 10 térisé en ce que les moyens de traitement de signal ( 402, 404) comprennent un canal de vitesse angulaire ( 404) destiné à produire le signal de vitesse angulaire sous la dépendance des premier et second signaux de sortie, et ce canal de vitesse angulaire comprend: des moyens de commuta15 tion de signe ( 41) destinés à multiplier les premier et second signaux de sortie par une fonction périodique de valeur moyenne nulle, ayant ladite fréquence u; des moyens d'intégration de vitesse angulaire ( 42) connectés fonctionnellement aux moyens de multiplication ( 41) pour produi20 re un signal de vitesse angulaire intégré représentant l'intégration du produit résultant de la fonction périodique et des premier et second signaux de sortie, sur la période T correspondant à la fréquence W; et des moyens d'échantillonnage de vitesse annulaire ( 43) qui fonctionnent sous la 25 dépendance du signal de vitesse angulaire intégré de façon

à produire le signal de vitesse angulaire.

19 Dispositif selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il comprend une source ( 21) de signaux à

ladite fréquence W qui est connectée fonctionnellement aux 30 moyens de vibration ( 31) et aux moyens de traitement de signal ( 402, 404), et l'écart de cette fréquence W est inférieur à une partie sur 106.

Dispositif selon la revendication 19, caractérisé en ce que la source ( 21) de signaux de fréquence est 35 une source de signal pilotée par quartz.

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21 Dispositif selon la revendication 18, caractérisé en ce que les moyens de traitement de signal comprennent en outre un canal de force ( 402) destiné à produire un signal de force représentant l'accélération du dispositif dans les directions des axes de détection de force, et ce canal de force comprend: des moyens d'intégration de force ( 44) destinés à intégrer périodiquement les premier et second signaux de sortie sur la période T correspondant à ladite fréquence cw, pour produire ur si10 gnal de force intégré F; et des moyens d'échantillonnage

de force ( 45) qui fonctionnent sous la dépendance du signal de force intégré pour produire le signal de force.

22 Dispositif selon la revendication 19, caractérisé en ce qu'il comprend une source ( 23) d'impulsions 15 de commande d'intégrateur, connectée fonctionnellement aux

moyens d'intégration de vitesse angulaire ( 42) et aux moyens d'intégration de force ( 44).

23 Dispositif selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de pré-séparation ( 406) connectés fonctionnellement entre les premier et second accéléromètres ( 390, 392) et les moyens de multiplication ( 41), pour combiner les premier et second signaux de sortie en un signal combiné destiné à être appliqué aux

moyens de multiplication ( 41).

24 Dispositif selon la revendication 23, caractérisé en ce que les premier et second axes de détection de force sont alignés dans la même direction et en ce que le signal combiné est lié fonctionnellement à la différence entre

les premier et second signaux de sortie.

25 Dispositif selon la revendication 23, caractérisé en ce que les premier et second axes de détection de force sont alignés dans des directions opposées et en ce que le signal combiné est lié fonctionnellement à la somme des

premier et second signaux de sortie.

26 Dispositif selon la revendication 21, caracté-

risé en ce qu'il comprend des moyens de pré-séparation ( 406) qui sont connectés fonctionnellement entre les premier et second accéléromètres ( 390, 392) et les moyens de multiplication ( 41) et les moyens d'intégration de force ( 44), dans le but de combiner les premier et second signaux de sortie en un premier signal combiné destiné à être appliqué aux moyens de multiplication ( 41), et dans le but de combiner les premier et second signaux de sortie

en un second signal combiné destiné à être appliqué aux 10 moyens d'intégration de force ( 44).

27 Dispositif selon la revendication 26, caractérisé en ce que les premier et second axes de détection de force sont alignés dans des directions opposées, et en ce que le premier signal combiné est lié fonctionnellement à 15 la somme des premier et second signaux de sortie, tandis que le second signal combiné est lié fonctionnellement à

la différence entre les premier et second signaux de sortie.

28 Dispositif selon la revendication 26, caractérisé en ce que les premier et second axes de détection de 20 force sont alignés dans la même direction, et en ce que le premier signal combiné est lié fonctionnellement à la différence entre les premier et second signaux de sortie, tandis que le second signal combiné est lié fonctionnellement

à la somme des premier et second signaux de sortie.

29 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif de détection ( 72) destiné à produire un signal de détection représentant la vitesse des premier et second accéléromètres dans la direction de vibration, et un asservissement qui fonctionne

sous la dépendance de ce signal de détection de façon à commander l'amplitude de la vibration.