FR2831258A1 - Procede et dispositif de mesure magnetique de la position et de l'orientation d'un objet mobile par rapport a une structure fixe - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé et un dispositif de mesure magnétique de la position et de l'orientation d'un objet mobile par rapport à une structure fixe. Le dispositif comprend, solidaire de la structure, un ensemble émetteur de champs magnétiques à trois bobines d'émission orthogonales (BbE) définissant un repère de référence et un ensemble capteur, solidaire de l'objet mobile, à trois voies de mesure du champ reçu sur trois bobines de détection orthogonales (Bbd1 à Bbd3), ces voies incorporant chacune une boucle d'asservissement (telle 41, A21 , BbCR1 , RM1) fournissant une tension de sortie (telle Vc1) et un courant de mesure (tel ic1). Une tension de calibration, à des fréquences différentes des fréquences utiles des champs, est injectée dans les voies du capteur sans perturber la mesure continue par des voies d'acquisition de mesure (Gacq1), alors qu'un courant de calibration (ica1) est superposé sur les résistances de mesure. On peut ainsi identifier les composants variables du système et corriger les mesures par l'inverse des fonctions de transfert respectives des voies du capteur.L'invention s'applique notamment aux viseurs de casque.
Description
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La présente invention se rapporte à la mesure précise de champs magnétiques et plus particulièrement à la détermination de la position et de l'orientation d'un objet mobile par rapport à une structure fixe.
Notamment, l'invention concerne la détermination de la posture du casque d'un pilote d'aéronefs militaires, dans lesquels la position angulaire d'une cible est déterminée par la visée, au travers d'un système comprenant le visuel de casque du pilote.
Le fonctionnement d'un tel système est rappelé brièvement ci-après : par un dispositif collimateur annexe, le pilote voit, à travers sa visière semi-réfléchissante solidaire du casque, sur l'axe de vision, l'image d'un réticule projeté à l'infini en superposition avec la scène extérieure.
Lorsqu'il veut désigner une cible, le pilote amène ce réticule à coïncider avec la cible et signale que la coïncidence est réalisée, au moyen par exemple d'une commande par bouton-poussoir, prévue à cet effet.
A condition de repérer, au moment de la signalisation de la coïncidence, la position angulaire exacte du casque, il est possible de déterminer, par rapport à l'avion, la direction de visée et de désigner l'objectif à un système d'arme, ou de pointer dans cette direction un système optique par exemple.
Un dispositif de mesure d'orientation et de position du casque du pilote dans un repère lié à l'aéronef peut consister en un capteur d'orientation et de position constitué de trois bobines électromagnétiques orthogonales et placé sur le casque, et en un émetteur, situé en un point fixe de la cabine, et constitué de trois autres bobines électromagnétiques.
Le procédé consiste alors à faire passer, dans chaque bobine de l'émetteur (formant un trièdre sensiblement orthogonal fixe), un courant électrique. Ces courants font apparaître trois champs magnétiques qui sont captés par les bobines du capteur (formant un trièdre mobile sensiblement orthogonal lié au casque). L'analyse de ces champs magnétiques permet de
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déterminer la position et l'orientation du trièdre mobile par rapport au trièdre fixe.
Dans ce domaine d'application notamment il est impératif d'obtenir une mesure précise des champs magnétiques émis par l'émetteur fixe, et détectés par le capteur lié au casque, de manière à désigner avec précision, à un système d'arme, l'objectif sélectionné par le pilote.
Jusqu'à présent, on utilisait pour cette mesure des composants de grande précision, parfois thermostatés, pouvant fonctionner dans une large durée temporelle.
Un inconvénient de cette technique de l'art antérieur est que, même avec des composants de grande qualité et donc de complexité et de coût très élevés, il est difficile d'atteindre la très grande précision que nécessite ce domaine d'application.
Un autre inconvénient de cette technique de l'art antérieur est que, même avec des composants de grande qualité et de coût très élevé, il est difficile de maintenir un niveau de précision élevé dans le temps, à cause du vieillissement des composants.
Des techniques de calibration ont été proposées, pour limiter ces inconvénients. Toutefois, les phases de calibration supposent, selon ces techniques, l'interruption temporaire de l'émission, et donc du fonctionnement du capteur. Cette interruption n'est pas acceptable dans de nombreuses situations (diminution du rapport signal à bruit), et notamment dans le cas discuté ci-dessus d'équipements militaires, où le rapport signal à bruit doit être optimisé impérativement pour ainsi obtenir la précision maximale.
La demanderesse a imaginé une technique de calibration beaucoup plus avantageuse grâce à laquelle la mesure de champ magnétique peut fonctionner de manière continue et ne nécessite pas de phase préliminaire et/ou périodique de calibration pendant laquelle la mesure serait interrompue.
Dans un dispositif de mesure de champ magnétique comprenant au moins une chaîne d'acquisition de mesure, on prévoit selon cette technique de mettre en oeuvre des signaux de calibration qui se superposent aux signaux à mesurer et qui présentent des composantes spectrales à des fréquences distinctes de celles des signaux utiles. On peut ainsi facilement
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calculer une estimation d'une grandeur électrique représentative de la chaîne de mesure, à partir des paramètres de calibration, sans interruption de la mesure, de manière à éliminer les incertitudes de mesure et/ou la dépendance de la mesure à des paramètres lentement variables, connus avec une précision insuffisante ou inconnus, comme par exemple les résistances de mesure de courant et les fonctions de transfert de chaînes de mesure. On choisit de préférence, comme grandeur électrique représentative, la fonction de transfert ou la tension de sortie de calibration de la chaîne.
Cependant, cette technique ne prend en compte que la calibration des chaînes d'acquisition de mesure mais pas la calibration des fonctions de transfert des voies du capteur.
L'invention a donc pour objet un procédé et un dispositif de mesure magnétique mettant en oeuvre une calibration complète permettant de connaître avec précision l'amplitude complexe des champs magnétiques à mesurer.
De manière générale, si l'on désigne par (nozzles champs
résultant dans le repère capteur des champs émis par l'émetteur, les mesures en sortie des voies du capteur peuvent s'écrire :
lM (jw) j=r () () j
où co représente en fait un ensemble de termes fréquentiels distincts entre
eux et multiples entiers d'un terme cl) =-- (avec T, durée d'un cycle de -
mesure), respectivement émis par les voies d'émission et où T (jco) est une matrice dont les termes représentent les fonctions de transfert entre sorties et entrées du capteur. Les termes diagonaux de T (jco) sont donc les fonctions de transfert de chaque voie du capteur et les termes hors diagonale représentent les termes de couplage entre voies. Ces termes hors diagonale sont faibles par construction du capteur et seront négligés dans la description ultérieure de l'invention bien que le procédé puisse s'appliquer de la même façon.
résultant dans le repère capteur des champs émis par l'émetteur, les mesures en sortie des voies du capteur peuvent s'écrire :
lM (jw) j=r () () j
où co représente en fait un ensemble de termes fréquentiels distincts entre
eux et multiples entiers d'un terme cl) =-- (avec T, durée d'un cycle de -
mesure), respectivement émis par les voies d'émission et où T (jco) est une matrice dont les termes représentent les fonctions de transfert entre sorties et entrées du capteur. Les termes diagonaux de T (jco) sont donc les fonctions de transfert de chaque voie du capteur et les termes hors diagonale représentent les termes de couplage entre voies. Ces termes hors diagonale sont faibles par construction du capteur et seront négligés dans la description ultérieure de l'invention bien que le procédé puisse s'appliquer de la même façon.
Pour pouvoir modéliser avec précision [. B, (j) j, il faut donc
connaître avec précision les termes complexes de la matrice T (jù en fonction de la pulsation, en amplitude et en phase.
connaître avec précision les termes complexes de la matrice T (jù en fonction de la pulsation, en amplitude et en phase.
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L'invention a pour objet un procédé et un dispositif dont le principe repose sur l'injection de signaux de calibration en superposition des signaux utiles, qui ne modifient pas l'estimation de ces signaux utiles et qui soient parfaitement discernables et mesurés sans erreur, puis sur l'identification de la fonction de transfert du capteur afin de corriger les mesures par l'inverse de la fonction de transfert complexe de la voie correspondante.
Selon l'invention, il est donc prévu un procédé de mesure magnétique de la position et de l'orientation d'un objet mobile par rapport à une structure fixe, dans lequel un premier ensemble émetteur inclut au moins deux bobines orthogonales d'émission de champs magnétiques, solidaires de ladite structure fixe, qui définissent un repère de référence, et des moyens d'émission pour injecter dans lesdites bobines des courants d'émission prédéterminés à des premièrs fréquences, dans lequel un second ensemble capteur inclut au moins deux bobines orthogonales de détection de champs magnétiques, solidaires dudit objet mobile, des voies de capteurs à boucles d'asservissement pour produire dans des bobines de contre-réaction couplées auxdites bobines de détection des champs magnétiques de contreréaction par injection de courants de mesure et une voie de calibration pour élaborer au moins une tension de calibration, et dans lequel au moins une voie d'acquisition est prévue pour extraire des valeurs de mesure desdites voies d'émission, desdites voies de capteurs et de ladite voie de calibration et des moyens de calcul et de traitement estiment, à partir desdites valeurs de mesure, les champs magnétiques détectés dans le second ensemble capteur et en déduisent la position et l'orientation dudit objet mobile dans ledit repère de référence, ledit procédé étant caractérisé en ce que-ladite tension de calibration ne comporte que des termes à au moins deux fréquences distinctes desdites premières fréquences et en ce que ledit procédé comprend une étape d'injection de tensions et courants de calibration dans lesdites voies du capteur pour produire des valeurs de mesure de calibration identifiées par leur fréquence, une étape d'estimation par les moyens de calcul de la fonction de transfert de chacune des voies de capteur et une étape de déduction par lesdits moyens de calcul des champs magnétiques détectés à partir desdites valeurs de mesure et de l'inverse desdites fonctions de transfert estimées.
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L'invention prévoit également un tel procédé dans lequel les boucles d'asservissement des voies de capteur fournissent des tensions de sortie produisant lesdits courants de mesure et lesdits courants de mesure s'écoulent à travers des résistances de mesure pour fournir des tensions de mesure, caractérisé en ce que l'on superpose la tension de calibration auxdites tensions de sortie pour la production desdits courants de mesure, et en ce que ladite étape d'estimation des fonctions de transfert s'effectue, à partir de la séparation des termes fréquentiels de calibration dans lesdites tensions de sortie, par approximation polynomiale pour lesdites premières fréquences.
Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un dispositif de mesure magnétique de la position et de l'orientation d'un objet mobile par rapport à une structure fixe, du type comprenant : - un premier ensemble émetteur incluant au moins deux bobines orthogonales d'émission de champs magnétiques, solidaires de ladite structure fixe et définissant un repère de référence, et des moyens d'émission pour injecter dans lesdites bobines des courants prédéterminés à des premières fréquences et constituer avec lesdites bobines au moins deux voies d'émission ; - un second ensemble capteur incluant au moins deux bobines orthogonales de détection de champs magnétiques, solidaires dudit objet mobile, des moyens de mesure par boucles d'asservissement, pour produire dans des bobines de contre-réaction couplées auxdites bobines de détection des champs magnétiques de contre-réaction par injection de courants de mesure et pour constituer avec lesdites bobines de détection au moins deux voies de capteur, et des moyens de calibration comprenant une voie de calibration pour élaborer au moins une tension de calibration à des secondes fréquences ; - au moins une voie d'acquisition de mesures pour extraire des valeurs de mesure desdites voies d'émission, desdites voies de capteur et de ladite voie de calibration ; et
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- des moyens de calcul et de traitement pour estimer, à partir desdites valeurs de mesure, les champs magnétiques détectés dans le second ensemble capteur et en déduire la position et l'orientation dudit objet mobile dans ledit repère de référence, caractérisé en ce que lesdites secondes fréquences sont distinctes desdites premières fréquences, en ce que lesdits moyens de calibration sont prévus pour injecter des tensions et courants de calibration dans lesdites voies de capteur pour produire des valeurs de mesure de calibration identifiées par leurs fréquences et adressées auxdits moyens de calcul par la ou lesdites voies d'acquisition et en ce que lesdits moyens de calcul et de traitement sont prévus pour estimer la fonction de transfert de chacune des voies de capteur et déduire les champs magnétiques détectés desdites valeurs de mesure et de l'inverse desdites fonctions de transfert estimées.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des dessins joints où : - la Figure 1 est un schéma de principe d'un dispositif du type mis en oeuvre dans un viseur de casque ; - la Figure 2 est un schéma synoptique de l'architecture d'un tel
dispositif adapté à un environnement magnétique perturbé ; - la Figure 3 est un schéma explicatif de principe d'une voie de capteur selon l'invention ; - la Figure 4 est une représentation de la voie de la Figure 3 en utilisant les transformées de Laplace ; - la Figure 5 est un schéma simplifié du capteur selon l'invention en ne considérant que la détermination de la fonction de transfert de chaque voie ; - la Figure 6 est un schéma prenant en compte en outre l'identification des composants variables du capteur ; et - la Figure 7 est le schéma d'un mode de réalisation pratique d'un dispositif de mesure magnétique selon l'invention.
dispositif adapté à un environnement magnétique perturbé ; - la Figure 3 est un schéma explicatif de principe d'une voie de capteur selon l'invention ; - la Figure 4 est une représentation de la voie de la Figure 3 en utilisant les transformées de Laplace ; - la Figure 5 est un schéma simplifié du capteur selon l'invention en ne considérant que la détermination de la fonction de transfert de chaque voie ; - la Figure 6 est un schéma prenant en compte en outre l'identification des composants variables du capteur ; et - la Figure 7 est le schéma d'un mode de réalisation pratique d'un dispositif de mesure magnétique selon l'invention.
Comme on l'a brièvement expliqué ci-dessus, l'invention concerne la mesure magnétique précise de la position et de l'orientation d'un objet
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mobile par rapport à une structure fixe. La Figure 1 est un schéma de principe d'un tel dispositif.
Son objet consiste à déterminer la position et l'orientation d'un capteur magnétique 11 dans le repère orthonormé [R]E 12 formé par les 3
bobines d'un émetteur 1 de champ magnétique BE (x). On notera que, par
souci de clarté et de simplification, seule une bobine d'émission a été représentée sur la Figure 1. La généralisation à trois bobines est immédiate.
bobines d'un émetteur 1 de champ magnétique BE (x). On notera que, par
souci de clarté et de simplification, seule une bobine d'émission a été représentée sur la Figure 1. La généralisation à trois bobines est immédiate.
Au point x, qui indique la position du capteur 11 dans le repère [RIE l'induction se projette sur les 3 axes des bobines de détection et
de contre-réaction 13 du capteur. Les courants de contre-réaction id, (2'le' mis en oeuvre dans le capteur 11 annulent ces projections, par un procédé d'asservissement connu de l'homme du métier. ), :, 2, !,-, représentent donc les mesures d'induction magnétique selon les directions des axes du capteur.
de contre-réaction 13 du capteur. Les courants de contre-réaction id, (2'le' mis en oeuvre dans le capteur 11 annulent ces projections, par un procédé d'asservissement connu de l'homme du métier. ), :, 2, !,-, représentent donc les mesures d'induction magnétique selon les directions des axes du capteur.
En effet, pour une émission sur une seule bobine telle que représentée sur la Figure 1, il est connu qu'en un point x de l'espace, pour un émetteur orthonormé et un capteur orthonormé, le capteur 11 mesure :
it ss f, (-t) ', 2=k [R tCIE] f2 ()'E (1) = [c]/, ( 0) 3),
OÙ Rf CIE est la matrice transposée de la matrice de passage du référentiel émetteur vers le référentiel capteur, formée des vecteurs unitaires des axes capteur exprimés dans le référentiel émetteur, et k un terme de
proportionnalité dépendant des unités choisies, étant les composantes de sAx) au point Y dans le référentiel 12 [R]E formé par
l'émetteur 1 pour un courant d'émission unité.
it ss f, (-t) ', 2=k [R tCIE] f2 ()'E (1) = [c]/, ( 0) 3),
OÙ Rf CIE est la matrice transposée de la matrice de passage du référentiel émetteur vers le référentiel capteur, formée des vecteurs unitaires des axes capteur exprimés dans le référentiel émetteur, et k un terme de
proportionnalité dépendant des unités choisies, étant les composantes de sAx) au point Y dans le référentiel 12 [R]E formé par
l'émetteur 1 pour un courant d'émission unité.
1. 1 1., lc3 En faisant les rapports--,--,-- (où est le courant lE lE lE
d'émission), il ne reste que l'information de position x et de rotation X, Y, Z du capteur 11 dans l'expression de la mesure (1) ci-dessus. Dans le cas plus général de trois émissions selon les troix axes de l'émetteur, l'obtention de la matrice 3x3 de terme générique ,//, où < 'sont des indices de valeur 1
d'émission), il ne reste que l'information de position x et de rotation X, Y, Z du capteur 11 dans l'expression de la mesure (1) ci-dessus. Dans le cas plus général de trois émissions selon les troix axes de l'émetteur, l'obtention de la matrice 3x3 de terme générique ,//, où < 'sont des indices de valeur 1
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à 3, donne donc aisément accès à l'orientation et à la position du capteur 11 dans le référentiel 12 de l'émetteur 1.
La Figure 2 illustre l'architecture de principe d'un dispositif tel que décrit ci-dessus. On considère le cas général d'une utilisation dans un environnement de perturbations magnétiques dues par exemple à la présence de corps conducteurs et/ou de corps de type ferromagnétique.
Un bloc 1 de génération des signaux est constitué de trois voies 11 à 13. Chaque voie 11 à 13 comprend un générateur 111 à 113 de courant
iBI à ici, une bobine 121 à 123 et une résistance 131 à 133. Le passage du courant dans les bobines 121 à 123 permet la création d'un champ magnétique B, à B1 respectivement pour chacune des voies 11 à 13. Les courants iBI à iB1 injectés dans les bobines 121 à 123 sont préférentiellement produits par des générateurs de courant d'impédance interne supérieure à 500kQ. Selon un mode de réalisation préférentiel, les générateurs de courant 111 à 113 sont connectés à des bobines non accordées. L'invention s'applique bien sûr également au cas où les générateurs de courant 111 à 113 sont connectés à des bobines accordées.
iBI à ici, une bobine 121 à 123 et une résistance 131 à 133. Le passage du courant dans les bobines 121 à 123 permet la création d'un champ magnétique B, à B1 respectivement pour chacune des voies 11 à 13. Les courants iBI à iB1 injectés dans les bobines 121 à 123 sont préférentiellement produits par des générateurs de courant d'impédance interne supérieure à 500kQ. Selon un mode de réalisation préférentiel, les générateurs de courant 111 à 113 sont connectés à des bobines non accordées. L'invention s'applique bien sûr également au cas où les générateurs de courant 111 à 113 sont connectés à des bobines accordées.
Des perturbations magnétiques, qui prennent naissance dans les matériaux ferromagnétiques et/ou les matériaux conducteurs environnant le dispositif de viseur de casque illustré sur la Figure 1, se superposent aux
champs BI à B3 sous la forme de champs magnétiques perturbateurs Bpl à Bp3' Le capteur 14 reçoit la somme des champs B, à B3 émis respectivement par les voies 11 à 13 du bloc de génération des signaux 1, des champs perturbateurs B,,, à Bp1, et d'éventuelles perturbations rayonnées 15 Br.
champs BI à B3 sous la forme de champs magnétiques perturbateurs Bpl à Bp3' Le capteur 14 reçoit la somme des champs B, à B3 émis respectivement par les voies 11 à 13 du bloc de génération des signaux 1, des champs perturbateurs B,,, à Bp1, et d'éventuelles perturbations rayonnées 15 Br.
Un bloc 16 de calibration du capteur délivre les signaux de calibration V1cal, V2cal, V3cal.
A l'issue des différents traitements appliqués aux champs reçus, le bloc 20 délivre en sortie la matrice C,, des couplages émetteur-capteur en espace libre, qui permet de calculer de façon connue la position et l'orientation du capteur 14 dans le repère de l'émetteur 1 du dispositif de viseur de casque.
Le bloc 20 permet :
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- de séparer et mesurer les grandeurs électriques (tensions et courants) de mesure et de calibration grâce au fait qu'elles sont disjointes en fréquence ; de modéliser les champs reçus par des techniques itératives ; - d'identifier les champs constants avec la fréquence permettant d'estimer le champ magnétique émis en espace libre en éliminant les champs perturbateurs ; - d'estimer la position et l'orientation du viseur de casque portant le capteur.
La Figure 3 est un schéma explicatif plus détaillé du principe d'une voie de capteur du dispositif selon l'invention.
On veut mesurer au niveau du capteur l'induction magnétique Berl ambiante. Pour cela, on utilise, pour chaque voie, une bobine de détection
Bbd bobinée en même temps qu'une bobine de contre-réaction BbcR associée autour d'un noyau 21 commun en matériau magnétique très
perméable (/40 1). On sait que l'induction magnétique est liée au champ
magnétique par la relation B,, =, uH,,,. Aux bornes de la bobine de détection Bbd, on mesure la variation de flux :
où N. et Sd représentent le nombre de spires et leur surface moyenne. Cette mesure s'effectue à l'aide d'une boucle d'asservissement comprenant un amplificateur 22 de fonction de transfert KA (jw) recevant la tension g prélevée aux bornes d'une capacité C rajoutée pour diminuer fortement le facteur de surtension propre de la bobine de détection, un réseau correcteur 23 permettant de stabiliser la boucle d'asservissement, un amplificateur 24 de gain A2, et un générateur de courant 25 avec une résistance pure constante R, qui fixe le coefficient de transfert tension/courant à l'amplificateur 24. Le générateur de courant 25 génère le courant i, de contre-réaction qui est injecté dans la bobine de contre-réaction BbcR. Ce courant i, est envoyé vers la masse à travers une résistance de mesure . Sur la borne 27, on trouve une tension de mesure V\ représentant la valeur
Bbd bobinée en même temps qu'une bobine de contre-réaction BbcR associée autour d'un noyau 21 commun en matériau magnétique très
perméable (/40 1). On sait que l'induction magnétique est liée au champ
magnétique par la relation B,, =, uH,,,. Aux bornes de la bobine de détection Bbd, on mesure la variation de flux :
où N. et Sd représentent le nombre de spires et leur surface moyenne. Cette mesure s'effectue à l'aide d'une boucle d'asservissement comprenant un amplificateur 22 de fonction de transfert KA (jw) recevant la tension g prélevée aux bornes d'une capacité C rajoutée pour diminuer fortement le facteur de surtension propre de la bobine de détection, un réseau correcteur 23 permettant de stabiliser la boucle d'asservissement, un amplificateur 24 de gain A2, et un générateur de courant 25 avec une résistance pure constante R, qui fixe le coefficient de transfert tension/courant à l'amplificateur 24. Le générateur de courant 25 génère le courant i, de contre-réaction qui est injecté dans la bobine de contre-réaction BbcR. Ce courant i, est envoyé vers la masse à travers une résistance de mesure . Sur la borne 27, on trouve une tension de mesure V\ représentant la valeur
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du courant de mesure ic. Enfin, selon une caractéristique de l'invention, on superpose une tension de calibration appliquée à la borne 26, à la tension de sortie li de la voie de capteur, présente à l'entrée de l'amplificateur 24.
L'induction magnétique de contre-réaction BCR, produite par l'injection du courant i,, dans la bobine BbcR s'écrit :
OÙ NCR est le nombre de tours par unité de longueur et kB est une constante
B dépendant des unités utilisées, avec par définition HCR =--= . y
Si l'asservissement opère correctement, on a Bext #BCR et la tension e tend vers zéro.
On a représenté sur la Figure 4 le schéma de la voie de la Figure 3 en utilisant les transformées de Laplace des variables temporelles pour passer aux fonctions de transfert. Pour déterminer la fonction de transfert en fonction de la pulsation, il suffit de faire p=jo). Dans cette représentation, K est un gain statique constant proportionnel au produit N, S, (p). (p) est le gain complexe de l'amplificateur 24. En fonction de la qualité et donc du coût de cet amplificateur, le gain peut être constant dans toute la bande de fonctionnement en fonction de ru, constant en fonction de l'environnement ou bien non constant.
Comme on l'a vu dans l'introduction, il est nécessaire de connaître avec précision les fonctions de transfert complexes de chacune des voies du capteur pour obtenir les valeurs H qui sont les entrées que l'on cherche à mesurer. La tension Vwl est une entrée secondaire que l'on a rajoutée pour calibrer le système selon l'invention.
En posant :
on obtient :
Or, on peut écrire :
on obtient :
Or, on peut écrire :
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Comme on peut le constater, grâce à la superposition de signaux de calibration V,,, (j'e,,) à des pulsations #cal différentes des pulsations Wu des signaux utiles de H (jc,,) émises par l'émetteur, on peut séparer les termes fréquentiels (par exemple par FFT, en anglais Fast Fourier Transform , ou par détection synchrone) et obtenir la mesure de la fonction de transfert T,(j#). En effet, à partir de l'équation (a) en isolant les termes de pulsation on a :
On peut alors identifier la valeur estimée de Tv :
où F indique un modèle d'interpolation tel qu'une approximation polynomiale.
On peut alors identifier la valeur estimée de Tv :
où F indique un modèle d'interpolation tel qu'une approximation polynomiale.
A partir de cette valeur estimée, on peut isoler dans la relation (a) pour les pulsations #u :
Le problème qui se pose alors est que le terme
() =--""'n'est pas identifié. En effet, kCR est considéré comme R
constant et identifiable en usine car, homogène à un nombre de tours par unité de longeur, il est invariable dans le temps et indépendant de la
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température et des conditions d'environnement. Par contre, ce n'est le cas ni de la résistance Zu ni du gain A. Or, ces composants conditionnent la précision des paramètres que l'on cherche à mesurer.
Il faut donc prévoir un dispositif à calibration adéquate pour déterminer ces composants dans chaque voie.
La Figure 5 illustre un schéma simplifié permettant d'identifier certains éléments importants de chaque voie du capteur.
En utilisant les indices 1 à 3 pour les trois voies du capteur correspondant à trois bobines de détection orthogonales, on a schématisé l'ensemble amplificateur 22/correcteur 23 de la Figure 4 par un bloc, respectivement Dv1 à Dv3, fournissant une tension de sortie Vc1 1 à V#.
L'ensemble 24 de la Figure 4 est schématisé par un amplificateur 241 à 243
de gain A,, (yû)) à A (/ < ), une résistance Rd et un générateur de courant fournissant ! e courant a :' de contre-réaction aux bobines de contre-réaction BbcR, à BbcR,. Une résistance de mesure RJ ! permet d'adresser la tension de mesure V'cal à une voie d'acquisition incluant l'amplificateur 28 de gain AE (je et qui fournit, après traitement, en sortie une valeur numérisée V'. Une seconde entrée de l'amplificateur 28 soit est mise à la masse, soit reçoit une valeur de calibration Vcal4 . Des tensions de calibration -Vcal1 à - Vcal3 sont appliquées aux entrées inverses des amplificateurs 241 à 243.
de gain A,, (yû)) à A (/ < ), une résistance Rd et un générateur de courant fournissant ! e courant a :' de contre-réaction aux bobines de contre-réaction BbcR, à BbcR,. Une résistance de mesure RJ ! permet d'adresser la tension de mesure V'cal à une voie d'acquisition incluant l'amplificateur 28 de gain AE (je et qui fournit, après traitement, en sortie une valeur numérisée V'. Une seconde entrée de l'amplificateur 28 soit est mise à la masse, soit reçoit une valeur de calibration Vcal4 . Des tensions de calibration -Vcal1 à - Vcal3 sont appliquées aux entrées inverses des amplificateurs 241 à 243.
En usine, on met à la masse les tensions de sortie Vc à Ve3. En désignant par i l'indice des voies du capteur, on applique alternativement Vcalt = Vcal(j#cal) sur l'entrée de chaque voie pendant que les entrées de
calibration des autres voies sont à la masse. On a :
calibration des autres voies sont à la masse. On a :
R d'où on déduit--A,, (/ (u) pour chaque voie. Mais si le gain A,, (jw) varie dz dans des proportions gênantes, on doit alors faire appel à ! a combinaison des relations (a) et (b) ci-dessus. Comme déjà mentionné, (a) fournit t^ (jeu).
En effectuant la séparation fréquentielle des signaux selon la pulsation ou ,, on dispose par la relation (b) de :
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d'où :
et comme :
on obtient :
On en déduit A, (jco) l'par approximation polynomiale de la même façon R, que pour I : (jOJ).
Cependant, cette solution permet de tenir compte du vieillissement dans le temps des composants impliqués, mais si les paramètres A2, RM, Rst varient pendant la mission en fonction de la température, cette solution impose d'arrêter les mesures pour effectuer la calibration (V,, mis à la masse), ce qui est contraire au but recherché dans l'invention. On est donc conduit au schéma, conforme au principe de la Figure 3, décrit dans la Figure 6 mais où il à : représentent la somme des courants l'un produit par la tension du capteur Vu et l'autre par la tension de calibration. Dans ce schéma, la grandeur de sortie est la tension V',, au lieu de Vu.
Si on considère que, dans chaque bobine d'émission d'indice j (avec j prenant les valeurs 1 à 3), circule un courant d'émission de pulsations #j.k où k, varie de K] àa max, toutes ces pulsations étant
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distinctes entre elles et distinctes des pulsations su, de calibration, on peut écrire à partir de la relation (b) pour la voie de capteur i :
soit : V't, (jwj ) = [Tv (,)] () ertlN. (j,) CR,
où : HeHINorm est la valeur normalisée du champ émis pour un courant d'émission de 1 ampère.
Dans la suite de la description et pour simplifier on ne notera plus les pulsations co,,,, utiles mais on notera simplement de même que l'on note , pour tes pulsations de calibration, étant entendu que toutes ces pulsations sont distinctes et séparables fréquentiellement.
Comme on le voit dans la dernière relation ci-dessus donnant V', on pourra connaître avec précision T, à condition d'identifier RMI et :'.
On se rapporte pour cela au schéma modifié de la Figure 6, où on retrouve, partiellement, les trois voies d'émission de l'émetteur et les trois voies de capteur. On a, en outre détaillé une voie de calibration et la voie d'acquisition commune. La voie de calibration comporte en série un convertisseur numérique-analogique CNAwl, un échantillonne ur bloqueur BI à la période TE, un filtre 30 de fonction de transfert FWI (jw) fournissant une tension de calibration Vwl à partir de la valeur numérique Vy, l'ensemble de cette chaîne ayant une fonction de transfert Gwl (je). Un courant de calibration ici est fourni à partir de la tension Vwl à l'aide d'une résistance Real et d'un générateur de courant.
La voie d'acquisition, de fonction de transfert C (je), comprend un amplificateur 28 de gain AE, un bloqueur BI et un convertisseur analogique/numérique CANE pour fournir une valeur de tension numérique de mesure V. L'entrée directe de l'amplificateur 28 est relié par un commutateur 32 à l'un des contacts 1 à 4, permettant de relier en multiplex la
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voie d'acquisition à la tension de mesure d'une des trois voies de capteur ou de la somme des trois voies d'émission. L'entrée inverse de l'amplificateur 28 est reliée par un commutateur 33 soit à la masse 6, soit par le contact 5 à la tension de calibration Vcal. En connectant l'amplificateur 28 seulement à la masse par le contact 6, on peut mesurer le bruit propre de la chaîne d'acquisition.
Après un cycle de calibration où on injecte Vcal par le contact 5, puis où on injecte séquentiellement le courant i, sur les résistances de
mesure RMI à < , on dispose des mesures suivantes :
mesure RMI à < , on dispose des mesures suivantes :
Il est clair que les courants !,/, i, et contiennent toutes les composantes aux pulsations (nul, c distinctes entre elles et distinctes des composantes aux pulsations (E) cal On peut donc les séparer entre elles. Ainsi le deuxième membre de l'équation (d) peut se subdiviser en deux termes qu'on désignera par et G,,, q (jcou) RE 1'S, (jffl,,) 1 ENI
GJGJ ! qu'on désignera par V.
'4 wl G,,, cl (jo) cczl) RE G,,,, (jco,,,,) 1 R,,,, qu'on désignera par V., 1.
Les mêmes notations seront utilisées pour les relations (e. 1) à (e. 3) qui s'écriront avec deux termes V ct V,,.
ENil EiVceil * Enfin la relation (c) n'aura qu'un seul terme écrit VES) L
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On déduit facilement de toutes ces relations que :
d'où :
n D et des relations semblables pour R-e-R-.
RE RE
Comme on l'a vu, pour Au, :
Comme on l'a vu, pour Au, :
Or de (b), on tire, toujours pour wu ; :
soit :
De la relation (d) pour co,,,, on obtient :
En combinant (g) et (h), on a :
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D les rapports'V'sont identifiés par les relations (f), d'où : RE
Ces termes V (jCùIlJ) forment une matrice à neuf termes, qui ne ENI
dépendent que de kCRl puisque tous les autres facteurs sont identifiés. En fait, kCRI peut être considéré comme invariable pour les trois voies du capteur.
On tire donc de la relation (j) l'expression des sorties désirées :
avec T'=- s si on écrit Tv sous la forme complexe classique l
() = r T (je = PT (jÙ) jo
yM A'= (4) constante en fréquence r V ' & V ; < . c/
VE (@4) j (j iô, (Jffl" s s. () = () -
Ainsi, la relation finale (k) montre que l'on a bien compensé la mesure du champ magnétique à l'aide de l'inverse de la fonction de transfert de la voie du capteur.
La réalisation de la Figure 6 que l'on vient d'analyser est basée sur l'utilisation d'une voie d'acquisition unique pour toutes les mesures, ce qui a un avantage évident de simplicité.
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Cependant, cela suppose son utilisation selon un échantillonnage séquence avec une période TE telle que :
où Na est le nombre de voies différentes à acquérir pendant la période TE.
Si le temps de réponse de Gacq (job) est trop long par rapport à TE, il faudra alors adopter le schéma du mode de réalisation de la Figure 7.
Sur cette Figure 7, on doit prévoir quatre voies d'acquisition avec amplification/filtrage : - trois voies d'acquisition des courants de mesure iu opérant avec la période TE de façon continue (s'il est suffisamment rapide, on peut n'utiliser qu'un seul convertisseur CAN multiplexant les trois voies filtrées et échantillonnées/bloquées au même instant) ; - une voie d'acquisition multiplexée opérant seulement sur la calibration à une cadence faible, ce qui n'est pas gênant pour identifier des paramètres lentement variables.
Les trois voies de capteurs comprennent donc chacune, comme déjà décrit, une bobine de détection, Bbdl à Bbd3, un ensemble amplificateur/correcteur, 41 à 43, fournissant la tension de sortie Vcl à Vu3, un amplificateur A21 à A23 recevant la tension de sortie sur une entrée et la tension de calibration via un commutateur 44 à 46 sur l'autre entrée, un générateur de courant de contre-réaction icl à ic3, une bobine de contre-réaction BbcRi à BbCR3 et une résistance Rm, à RM3 de mesure du courant de contre-réaction sur lequel on peut superposer le courant de calibration iwl via un commutateur 51 à 53. A chacune des voies du capteur correspond une voie d'acquisition de mesure
Gacql à Gj comprenant un amplificateur àA, un fi ! tre F, (yû)) à (yeo), un bloqueur BI et un convertisseur analogique/numérique CAN pour fournir la tension de mesure numérisée V',//v à V, . Par ailleurs, les voies émetteur partiellement représentées sont connectées pour envoyer les courants d'émission iE1 à iE3 sur une résistance de mesure RE sur laquelle on peut aussi superposer le courant de calibration par le commutateur 54, cette résistance étant reliée au contact 4 d'un commutateur 55. Ce commutateur 55 permet de
Gacql à Gj comprenant un amplificateur àA, un fi ! tre F, (yû)) à (yeo), un bloqueur BI et un convertisseur analogique/numérique CAN pour fournir la tension de mesure numérisée V',//v à V, . Par ailleurs, les voies émetteur partiellement représentées sont connectées pour envoyer les courants d'émission iE1 à iE3 sur une résistance de mesure RE sur laquelle on peut aussi superposer le courant de calibration par le commutateur 54, cette résistance étant reliée au contact 4 d'un commutateur 55. Ce commutateur 55 permet de
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relier l'entrée d'une quatrième voie d'acquisition, multiplexée mais semblable par ailleurs aux trois premières voies, aux tensions de mesure sur les résistances de mesure par les contacts 1 à 4, à la tension de calibration par le contact 5, à la masse par le contact 6 et aux tensions de sortie des trois voies de capteur par le contact 7 et le commutateur 56.
Toutes les valeurs de mesure numérisées sont envoyées à un processeur 60 de traitement qui effectue les diverses opérations de mesure et calibration et de séparation fréquentielle mentionnées dans les relations ci-dessus et en déduit la position et l'orientation P/O du capteur, tout en fournissant les signaux de contrôle Ctl nécessaires au fonctionnement de l'ensemble ainsi que la valeur de calibration V,,, et les périodes TE et T'E.
Ainsi, on peut voir que, par l'intermédiaire du commutateur 56, de
la voie d'acquisition GilLq4 et des contacts 7 et 5 de 55, on peut déterminer TI, 72 et T, 3 selon la relation (a). D'autre part, la voie d'acquisition G,,, permet D D de calibrer, selon la relation (f), les valeurs Rm, à'. Les cycles RE RE d'acquisition et de calibration ci-dessus sont indépendants des cycles de la mesure continue des courants circulant dans RMI à RM3 par les trois premières voies.
la voie d'acquisition GilLq4 et des contacts 7 et 5 de 55, on peut déterminer TI, 72 et T, 3 selon la relation (a). D'autre part, la voie d'acquisition G,,, permet D D de calibrer, selon la relation (f), les valeurs Rm, à'. Les cycles RE RE d'acquisition et de calibration ci-dessus sont indépendants des cycles de la mesure continue des courants circulant dans RMI à RM3 par les trois premières voies.
Par rapport à la figure 6, on constate qu'il existe trois voies d'acquisition Gacq i i de 1 à 3, distinctes entre elles et différentes aussi de la voie de calibration Gacq4-On montre ci après que la configuration de la figure 7 résout complètement le problème posé. Les différentes équations disponibles sont les suivantes : > calibration
- commutateur 55, mesures (1), (2), (3), (4) :
V (4) E T// ! \ c-D4 0 cal = -4Vcal pouri= ! à3 (m) cal
On en déduit :
R Mi V ENcal pour (J) = (J) cal R ' ENcal
- commutateur 55, mesures (1), (2), (3), (4) :
V (4) E T// ! \ c-D4 0 cal = -4Vcal pouri= ! à3 (m) cal
On en déduit :
R Mi V ENcal pour (J) = (J) cal R ' ENcal
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- mesures des voies V'
I RMi V.cal = C Pour i = 1 à3 (n) Real cal
Combinant (m) et (n) on obtient :
1 Gacq i V'c ; Wca/,. G acq 4 Ci) ENcal a4 a/
De ces expressions, on en déduit les estimations par des fonctions d'approximation dans le domaine des fréquences comme décrit
précédemment pour :
Rmi G et Mi, cette dernière étant invariable en fréquence G acq 4 RE > mesures :
Pour les fréquences utiles à mesurer #=#uj, on dispose des mesures pour i de 1 à 3 :
On vérifie que dans cette expression le terme entre parenthèse est entièrement déduit des calibrations, kCRl étant consdéré comme connu et
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constant. On a donc atteint le but assigné : mesure en continu et calibration de tous les paramètres de la mesure sans interruption de la mesure.
Bien entendu, les exemples de réalisation décrits ne sont nullement limitatifs de l'invention. Ainsi, on n'a pas tenu compte, dans la suite de la description, des champs perturbateurs mentionnés en relation avec la Figure 2.
Il est évident que ces champs perturbateurs peuvent être éliminés par le procédé auquel il a été fait allusion, basé sur les variations en fonction de la fréquence, mais qui ne fait pas partie de la présente invention.
Claims (7)
1. Procédé de mesure magnétique de la position et de l'orientation d'un objet mobile par rapport à une structure fixe, dans lequel un premier ensemble émetteur inclut au moins deux bobines orthogonales d'émission de champs magnétiques, solidaires de ladite structure fixe, qui définissent un repère de référence, et des moyens d'émission pour injecter dans lesdites bobines des courants d'émission prédéterminés à des premièrs fréquences, dans lequel un second ensemble capteur inclut au moins deux bobines orthogonales de détection de champs magnétiques, solidaires dudit objet mobile, des voies de capteurs à boucles d'asservissement pour produire dans des bobines de contre-réaction couplées auxdites bobines de détection des champs magnétiques de contre-réaction par injection de courants de mesure et une voie de calibration pour élaborer au moins une tension de calibration, et dans lequel au moins une voie d'acquisition est prévue pour extraire des valeurs de mesure desdites voies d'émission, desdites voies de capteurs et de ladite voie de calibration et des moyens de calcul et de traitement estiment, à partir desdites valeurs de mesure, les champs magnétiques détectés dans le second ensemble capteur et en déduisent la position et l'orientation dudit objet mobile dans ledit repère de référence, ledit procédé étant caractérisé en ce que ladite tension de calibration ne comporte que des termes à au moins deux fréquences distinctes desdites premières fréquences et en ce que ledit procédé comprend une étape d'injection de tensions et courants de calibration dans lesdites voies du capteur pour produire des valeurs de mesure de calibration identifiées par leur fréquence, une étape d'estimation par les moyens de calcul de la fonction de transfert de chacune des voies de capteur et une étape de déduction par lesdits moyens de calcul des champs magnétiques détectés à partir desdites valeurs de mesure et de l'inverse desdites fonctions de transfert estimées.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les boucles d'asservissement des voies de capteur fournissent des tensions de sortie (Vd ; J produisant lesdits courants de mesure et lesdits courants de
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mesure s'écoulent à travers des résistances de mesure (RMI à R ?3) pour fournir des tensions de mesure (V' t), caractérisé en ce que l'on superpose la tension de calibration auxdites tensions de sortie pour la production desdits courants de mesure, et en ce que ladite étape d'estimation des fonctions de transfert s'effectue, à partir de la séparation des termes fréquentiels de calibration dans lesdites tensions de sortie, par approximation polynomiale pour lesdites premières fréquences.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on injecte les courants de calibration sur lesdites résistances de mesure et en ce que la valeur des composants variables desdites voies des capteurs est identifiée à partir de la séparation des termes fréquentiels de calibration dans les tensions de sortie et les tensions de mesure.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la
séparation des termes fréquentiels de calibration et leur mesure s'effectue à l'aide d'une voie d'acquisition séparée (G ) mu ! tip) exée dans le temps pour traiter pendant un cycle de calibration les tensions de mesure des voies de capteur, les courants d'émission, la voie de calibration et les tensions de sortie des voies de capteur.
5. Dispositif de mesure magnétique de la position et de l'orientation d'un objet mobile par rapport à une structure fixe, du type comprenant : - un premier ensemble émetteur incluant au moins deux bobines (121 à 12, ; BbE) orthogonales d'émission de champs magnétiques, solidaires de ladite structure fixe et définissant un repère de référence, et des moyens d'émission (100, 11, à 113, 131 à 13, ; RE) pour injecter dans lesdites bobines des courants (iEI à iE1) prédéterminés à des premières fréquences et constituer avec lesdites bobines au moins deux voies d'émission ;
- un second ensemble capteur incluant au moins deux bobines (13 ; Bb B) orthogonales de détection de champs magnétiques, solidaires dudit objet mobile, des moyens de
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- au moins une voie d'acquisition (28, Bl, CANE ; Ami à A, F, a , B/, CA/v) de mesures pour extraire des valeurs de mesure (v'. V, ) desdites voies d'émission, desdites voies de capteur et de ladite voie de calibration ; et - des moyens de calcul et de traitement (60) pour estimer, à partir desdites valeurs de mesure, les champs magnétiques détectés dans le second ensemble capteur et en déduire la position et l'orientation dudit objet mobile dans ledit repère de référence, caractérisé en ce que lesdites secondes fréquences sont distinctes desdites premières fréquences, en ce que lesdits moyens de calibration sont prévus pour injecter des tensions et courants de calibration dans lesdites voies de capteur pour produire des valeurs de mesure de calibration identifiées par leurs fréquences et adressées auxdits moyens de calcul par la ou lesdites voies d'acquisition et en ce que lesdits moyens de calcul et de traitement (60) sont prévus pour estimer la fonction de transfert de chacune des voies de capteur et déduire les champs magnétiques détectés desdites valeurs de mesure et de l'inverse desdites fonctions de transfert estimées.
mesure (21 à 25, BbCR, RM) par boucles d'asservissement, pour produire dans des bobines de contre-réaction (BbcR, à BbCR3) couplées auxdites bobines de détection des champs magnétiques de contre-réaction par injection de courants de mesure (id à ic3) et pour constituer avec lesdites bobines de détection au moins deux voies de capteur, et des moyens de calibration comprenant une voie de calibration (CBAcal, Bl, 30) pour élaborer au moins une tension de calibration (VCal) à des secondes fréquences ;
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdites voies de capteur comprennent chacune une bobine de contre-réaction (BbcRi à BbCR3) bobinée sur le même noyau magnétique que la bobine de détection associée (Bbd1 à Bbd3), des moyens amplificateurs correcteurs (22,23 ; 41 à 43) pour générer à partir du signal aux bornes de la bobine de détection une tension de sortie (Vd ), et des moyens
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courant et des seconds moyens (31, 51 il 53) d'injection d'un courant de calibration proportionnel à ladite tension de calibration sur lesdites résistances de mesure (RMI à J.
amplificateurs/générateurs de courant (24, R, ; 241 à 243, 7 -, :/, a A, J pour élaborer un courant de contre-réaction (ic ; ic1 à ic3) injecté dans la bobine de contre-réaction associée et une résistance (RM1 à RM3) de mesure du courant de contre-réaction traversée par ledit courant pour fournir une tension de mesure (V', à V'c3), et en ce que lesdits moyens de calibration comprennent en outre des premiers moyens (44 à 46) d'injection de la tension de calibration sur lesdits moyens amplificateurs/générateurs de
7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdites voies d'acquisition comprennent des premières voies d'acquisition (Gacq1 aG) pour traiter en continu lesdites tensions de mesure respectivement de chaque voie de capteur, une voie d'acquisition échantillonnée (cJ pour traiter en multiplex dans le temps les signaux de calibration présents dans lesdites tensions de sortie des voies de capteur, dans les tensions de mesure de ces mêmes voies et dans la somme des courants d'émission, et lesdits courants d'émission ; et des moyens de multiplexage (55,56) pour appliquer sur l'entrée de ladite voie d'acquisition échantillonnée lesdits signaux traités par cette dernière.
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| FR2974758A1 (fr) * | 2011-05-04 | 2012-11-09 | Commissariat Energie Atomique | Dispositif et procede de gravure d'un motif |
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|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20140630 |