FR2958030A1 - Procede et dispositif de mesure angulaire avec compensation de non linearites - Google Patents

Abstract

Procédé de mesure angulaire au moyen d'un résonateur associé à des moyens de mise en vibration et à des moyens de détection des vibrations (5.1, 5.1), qui sont reliés à un circuit de traitement (10, 100) par lequel transitent des signaux de commande et des signaux de mesure, le procédé comprenant les étapes de numériser les signaux de mesure et de déduire une mesure angulaire des signaux de mesure, caractérisé en ce que le procédé comprend les étapes de : - effectuer une analyse spectrale des signaux de mesure numérisés pour y détecter des distorsions harmoniques, - corriger au moins une partie des signaux transitant par le circuit de traitement pour atténuer les non linéarités. Dispositif pour la mise en œuvre de ce procédé.

Description

1 La présente invention concerne un procédé et un dispositif de mesure angulaire mettant en oeuvre un résonateur mis en vibration. Un tel dispositif, ou gyroscope vibrant, comprend un résonateur associé à des moyens de mise en vibration et à des moyens de détection des vibrations. Les moyens de mise en vibration et les moyens de détection, comme des transducteurs électrostatiques, sont reliés à un circuit de traitement par lequel transitent des signaux de commande et des signaux de mesure ou de détection. La précision de la mesure dépend de la maîtrise des vibrations imprimées au résonateur, la réponse du résonateur aux sollicitations angulaires à mesurer dépendant directement des évolutions des vibrations.

La mise en oeuvre d'un gyroscope vibrant requiert donc de mesurer les paramètres de la vibration afin d'en contrôler l'évolution. En effet, les signaux de détection issus des transducteurs électrostatiques, généralement répartis en deux groupes ou plus, permettent d'observer la vibration. Dans le cas où les transducteurs sont polarisés par une haute tension continue, ces signaux sont des fonctions sinusoïdales du temps dont l'amplitude et la fréquence évoluent respectivement sous l'effet des mouvements ap- pliqués au boîtier du gyroscope et de la température. Les mouvements à mesurer sont caractérisés par des bandes passantes de quelques centaines de Hertz et les fluctuations thermiques sont filtrées par des constantes de temps thermiques de plusieurs secondes. En conséquence, le spectre des signaux détectés est concentré dans une bande de fréquence qui s'étend sur quelques centaines de Hertz de part et d'autre de la fréquence de résonance. Avec un résonateur hémisphérique, les signaux observés dans la base formée par les transducteurs décri- vent une trajectoire elliptique caractérisée par son 2 grand axe de longueur p et son petit axe de longueur q selon les formules suivantes : cos0 cos + sin 0\ P sin0 cos0 =coo =7c 'Fo L'angle 0 caractérise l'orientation de la vibra- tion par rapport au boîtier de l'appareil et la phase O est l'intégrale par rapport au temps de la pulsation de résonance coo. Afin d'en faciliter le traitement, les signaux de mesure sont numérisés par un système de conversion analo- gique/numérique du circuit de traitement. Or, les non linéarités du système de conversion affectent l'estimée de 0. A titre d'exemple, des non linéarités de 100ppm rame-nées à la pleine échelle engendrent des erreurs de l'ordre de 100grad sur l'estimée de 0.

De telles erreurs peuvent être identifiées en usine à diverses températures de fonctionnement. Une modélisation de ces erreurs (tabulation, polynômes) permet alors de corriger l'estimée de l'angle électrique. Au mieux, cette méthode permet de compenser le défaut ini- tial, mais elle reste impuissante face aux évolutions dues par exemple au vieillissement des composants. Un but de l'invention est de fournir une solution pour limiter l'effet des évolutions des erreurs au cours du temps.

A cet effet, on prévoit, selon l'invention, un procédé de mesure angulaire au moyen d'un résonateur associé à des moyens de mise en vibration et à des moyens de détection des vibrations, qui sont reliés à un circuit de traitement par lequel transitent des signaux de corn- mande et des signaux de mesure, le procédé comprenant les étapes de numériser les signaux de mesure et de déduire une mesure angulaire des signaux de mesure, caractérisé • sine 3 en ce que le procédé comprend les étapes de : - effectuer une analyse spectrale des signaux de mesure numérisés pour y détecter des distorsions harmoniques issues de non linéarité, - corriger au moins une partie des signaux transitant par le circuit de traitement pour atténuer les non linéarités. Le procédé de l'invention exploite ainsi la grande pureté spectrale des signaux issus du résonateur pour calibrer en cours de fonctionnement les défauts de linéarité du système de numérisation. Ce procédé exploite le fait que les non linéarités du système de numérisation sont révélées par l'apparition de raies harmoniques de la fréquence de résonance sur le signal de mesure. A cette fin, une table de compensation est par exemple associée au système de conversion afin d'en linéariser le fonctionnement, elle est alors pilotée de sorte à annuler la distorsion harmonique du signal numérisé. Selon un premier mode de réalisation, la correc- tion porte sur les signaux de mesure. Le procédé assure alors une correction des signaux de mesure. Avantageusement, la correction porte également sur les signaux de commande.

La correction des signaux de commande associée à celle des signaux de mesure permet de renforcer l'efficacité du procédé de l'invention. Selon un paramétrage particulièrement efficace, lors de la numérisation, les signaux de mesure sont échantillonnés à une fréquence élevée par rapport à une fréquence de résonance du résonateur sur une durée voisine de l'inverse de la fréquence de résonance et, avantageusement, la fréquence d'échantillonnage est au moins égale à (2n+l)FO où FO est la fréquence de résonance et n le rang maximal des harmoniques observables. 4 Ces paramètres permettent la meilleure détection des distorsions harmoniques sur les n premières harmoniques. Avantageusement, la correction est réalisée au moyen d'une table de compensation ajustée de manière itérative après une estimation d'amplitude des harmoniques et, de préférence, l'estimation des amplitudes est effectuée par la méthode des moindres carrés. Ceci permet d'optimiser les paramètres de la ta- ble de compensation au cours du temps. Selon une caractéristique additionnelle avantageuse, les moyens de mise en vibration et de détection comprenant des éléments électrostatiques, le procédé comprend une phase d'identification qui comporte l'étape de faire varier une tension de polarisation des éléments électrostatiques en pilotant le résonateur de telle manière que l'amplitude des signaux de détection demeure constante à une fréquence de résonance du résonateur. Ceci permet de séparer les effets des non linéa- rités électroniques liées au circuit électronique des effets des non linéarités liées aux détecteurs eux-mêmes. Durant cette étape, l'amplitude de la vibration varie en raison inverse de la haute tension, ce qui fait varier les non linéarités des détecteurs. Le courant à la fré- quence de résonance étant maintenu constant, les non linéarités électroniques sont sollicitées ou produites de la même manière durant l'opération. Cette étape du procédé peut être utilisée lors de la calibration réalisée en usine pour identifier et compenser les non linéarités des détecteurs. Ces non linéarités étant petites est très stables, il ne sera pas nécessaire de renouveler leur identification au cours des mesures ultérieures. Seules les non linéarités de l'électronique nécessiteront alors d'être corrigées lors de la mise en œuvre ultérieure du procédé de mesure.

L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus. Ce dispositif comprend un résonateur associé à des éléments électrostatiques qui sont reliés à un circuit de traitement par 5 lequel transitent des signaux de commande et des signaux de mesure, le circuit de traitement comportant un convertisseur analogique/numérique, un amplificateur de charge, et un organe de traitement agencé pour effectuer une ana-lyse spectrale des signaux de mesure de manière à y dé- tecter des distorsions harmoniques et pour corriger au moins une partie des signaux transitant par le circuit de traitement au moyen d'une table de compensation pour atténuer les distorsions harmoniques. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de mise en oeuvre particuliers non limitatifs de l'invention. Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : - la figure 1 est un schéma blocs d'un dispositif de mesure conforme à un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 est une vue analogue à la figure 1 d'un dispositif conforme à un deuxième mode de réalisa- tion. L'invention est ici décrite en application à un gyroscope vibrant comportant un résonateur hémisphérique ayant un bord annulaire pourvu d'électrodes et un pied central solidaire d'une plaque porte-électrodes pourvue d'électrodes en regard des électrodes solidaires du bord annulaire du résonateur hémisphérique formant des paires avec lesdites électrodes pour constituer des transducteurs électrostatiques.

Les paires d'électrodes sont réparties en deux groupes reliées chacun par une voie 1 ou 2 à un circuit de traitement. Cette structure est connue en elle-même et n'est donc pas détaillée ici. Dans le premier mode de mise en oeuvre de la figure 1, les paires d'électrodes sont utilisées soit pour la détection soit pour la mise en vibration et seuls sont représentés les paires d'électrodes de détection 5.1, 5.2 et la partie, généralement désignée en 10, du circuit de traitement servant à traiter les signaux de mesure émanant des paires d'électrodes de détection 5.1, 5.2. La partie 10 comprend un organe de multiplexage temporel 11 relié en entrée aux deux voies 1, 2 et en sortie à une entrée d'un amplificateur de charge 12 ayant une sortie reliée à un convertisseur analogique/numérique 13 agencé pour numériser les signaux de mesure provenant des paires d'électrodes de détection 5.1, 5.2. Ces composants sont connus en eux-mêmes.

Le multiplexage permet de s'affranchir des différences de gain entre les deux voies qui induiraient des erreurs d'estimation angulaire. Le convertisseur analogique/numérique 13 est relié en sortie à un organe de traitement 14 agencé pour mettre en oeuvre le procédé de l'invention. Ce procédé comprend l'étape d'effectuer une ana-lyse spectrale des signaux de mesure numérisés en vue d'y détecter des distorsions harmoniques et l'étape de corriger les signaux de mesure numérisés au moyen d'une table de compensation pour atténuer les distorsions harmoniques détectées dans les signaux de mesure numérisés. Ces dis-torsions harmoniques sont représentatives de non linéarités résultant du processus de numérisation mis en oeuvre par le convertisseur analogique/numérique 13.

Le convertisseur analogique/numérique 13 est pro- 7 grammé pour échantillonner les signaux de mesure à une fréquence élevée par rapport à une fréquence de résonance du résonateur sur une durée voisine de l'inverse de la fréquence de résonance. La fréquence d'échantillonnage est ici au moins égale à (2n+1) F0 où FO est la fréquence de résonance et n le rang maximal des harmoniques observables. L'organe de traitement 14 est en outre agencé pour ajuster la table de compensation de manière itéra- tive après une estimation d'amplitude des harmoniques. Sur une durée d'échantillonnage aussi courte (typiquement 100µs), les paramètres p, q, 0 et w (voir les équations de la vibration mentionnées en introduction) peuvent généralement être considérés comme constants avec un niveau d'approximation acceptable. En effet, les évolutions de p, q et w qui sont liées à la thermique ont une dynamique très faible. Sur les porteurs les plus véloces tels que les missiles tactiques, il est avantageux de modéliser l'angle comme une fonction affine du temps, ce qui revient à approcher la vitesse angulaire par une constante sur l'horizon d'estimation. Un traitement par exemple de type moindre carrés permet alors d'estimer l'amplitude de chacune des harmoniques. La table de compensation est alors ajustée de manière itérative de sorte à minimiser la distorsion harmonique. Les signaux de mesure numérisés et corrigés sont ensuite amenés à une unité de calcul non représentée qui en déduit une mesure angulaire. Le procédé comprend en outre une phase préalable d'identification, par exemple réalisée en usine préalablement à la commercialisation du dispositif mettant en œuvre le procédé de l'invention, qui comporte l'étape de faire varier une tension de polarisation des transducteurs électrostatiques en pilotant le résonateur de telle manière que l'amplitude des signaux de mesure demeure 8 constante à la fréquence de résonance du résonateur. En effet, dans certains cas, il est avantageux de compenser séparément les non linéarités électroniques et électrostatiques. Pour séparer ces deux effets, il suffit de faire varier la tension de polarisation en pilotant le résonateur de sorte que l'amplitude du courant détecté à Fo reste constante. Dans ce cas, l'amplitude de la vibration varie en raison inverse de la haute tension, ce qui fait varier les non linéarités électrostatiques. Le cou- rant à Fo étant maintenu constant, les non linéarités électroniques sont sollicitées de la même manière durant l'opération. Les non linéarités électrostatiques peuvent alors être corrigées une fois pour toutes par une étape de calibration connue en elle-même et seules les non li- néarités électroniques nécessiteront d'être corrigées par la compensation prévue dans le procédé de l'invention. Dans le deuxième mode de mise en oeuvre représenté à la figure 2, les paires d'électrodes 5.1, 5.2 sont reliées à un circuit de traitement généralement désigné en 100 et sont utilisées successivement en tant qu'actionneurs de mise en vibration et en tant que détecteurs durant des phases consacrées alternativement à ces usages. Ceci permet de maintenir une dérive moyenne faible. Le circuit de traitement 100 comprend un organe de multiplexage/démultiplexage 123 relié, d'une part, aux deux voies 1, 2 et, d'autre part, à une branche entrante 121 et une branche sortante 122 du circuit de traitement 100. La branche entrante 121 comprend un commutateur 124 relié à une première entrée d'un organe de traitement 114 agencé pour mettre en oeuvre le procédé de l'invention. Une première sortie de l'organe de traite-ment 114 est reliée à un convertisseur numéri- 30 9 que/analogique 125 lui-même relié à l'organe de multiplexage/démultiplexage 123. La branche sortante 122 comprend un amplificateur de charge 112 ayant une entrée reliée à l'organe de mul- tiplexage/démultiplexage 123 et une sortie reliée à un amplificateur à gain élevé 132 relié à un convertisseur analogique/numérique 113. Le convertisseur analogique/numérique 113 est relié à une deuxième entrée de l'organe de traitement 114.

L'organe de traitement 114 comprend un correcteur 115 C(z) ayant une entrée reliée à la branche sortante 112 et une sortie reliée à l'unité de calcul d'angle et à une table de compensation 116 pour piloter cette dernière. La table de compensation 116 est reliée à la bran- che entrante 121 en aval du commutateur 124. Le commutateur 124 possède un premier état dans lequel il relie la branche entrante 121 à une unité non représentée d'émission de signaux de commande et un deuxième état dans lequel il relie la branche sortante 122, en sortie du correcteur 115, à la branche entrante 121. On notera que l'amplificateur de charge 112 est ici bouclé par une résistance 117 reliant la branche entrante au nœud de connexion de l'entrée de l'amplificateur de charge 112 à la branche sortante, mais une capacité ou toute autre impédance peut également être utilisée. La même remarque s'applique à la résistance 118 connectée en parallèle de l'amplificateur de charge 112 à la branche sortante.

En phase de détection (commutateur dans son premier état) de la voie 1, le transducteur de la voie 1 est relié au noeud de connexion de l'amplificateur de charge 112 à la branche sortante 122 et le transducteur de la voie 2 est relié à la masse. Le courant détecté sur la voie 1 est amplifié par l'amplificateur de charge 112 et par l'amplificateur à gain élevé 132 avant d'être converti par le convertisseur analogique/numérique 113. Le cor-recteur numérique 115 pilote le convertisseur numérique/analogique 123 à travers la table de compensation 116 de telle manière que le convertisseur numérique/analogique 123 compense alors à travers la résistance 117 le courant détecté sur la voie 1. Le gain de l'amplificateur à gain élevé 132 réduit les erreurs liées au convertisseur analogique/numérique 113 qui travaille alors en détecteur de zéro et la commande du convertisseur numérique/analogique 123 est alors l'image du courant détecté. En première approximation, la performance de linéarité en détection repose sur le convertisseur numérique/analogique 123 associé à la table de compensation 116. En phase de détection de la voie 2, les rôles des transducteurs sont inversés. En phase de commande (commutateur dans son deuxième état) de la voie 1, le transducteur de la voie 1 est relié à la sortie du convertisseur numérique analogique 123 et le transducteur de la voie 2 est relié à la masse. Les commandes élaborées par l'unité d'émission des signaux de commande sont alors appliquées à travers l'ensemble table de compensation 116 et convertisseur nu- mérique/analogique 123. La performance de linéarité en commande repose alors sur le convertisseur numérique/analogique 123 associé à la table de compensation 116. En phase de commande de la voie 2, les rôles des transducteurs sont inversés. Dans ce type de fonctionnement, les observations collectées durant les phases de détection sont utilisées pour compenser les non linéarités du convertisseur numérique analogique 123 comme dans le cas du premier mode de mise en oeuvre. Les erreurs de linéarité de la chaîne de 11 commande ayant été compensées lors des phases de détection, les commandes seront donc appliquées sans erreurs de linéarité. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de mise en œuvre décrits mais englobe toute va-riante entrant dans le champ de l'invention telle que dé-finie par les revendications. En particulier, bien que deux transducteurs aient été représentés sur les figures, l'invention s'applique à un nombre quelconque de transducteurs. Le gyroscope peut avoir une structure différente de celle décrite, notamment en ce qui concerne la forme du résonateur. La correction peut porter sur tout ou partie des signaux de mesure et/ou des signaux de commande.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de mesure angulaire au moyen d'un résonateur associé à des moyens de mise en vibration et à des moyens de détection des vibrations (5.1, 5.1), qui sont reliés à un circuit de traitement (10, 100) par le-quel transitent des signaux de commande et des signaux de mesure, le procédé comprenant les étapes de numériser les signaux de mesure et de déduire une mesure angulaire des signaux de mesure, caractérisé en ce que le procédé com- prend les étapes de : - effectuer une analyse spectrale des signaux de mesure numérisés pour y détecter des distorsions harmoniques issues des non linéarités, - corriger au moins une partie des signaux transitant par le circuit de traitement pour atténuer les non linéarités.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la correction porte sur les signaux de mesure.
3. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la correction porte également sur les signaux de commande.
4. 4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, lors de la numérisation, les signaux de mesure sont échantillonnés à une fréquence élevée par rapport à une fréquence de résonance du résonateur sur une durée voisine de l'inverse de la fréquence de résonance.
5. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la fréquence d'échantillonnage est au moins égale à (2n+1)F0 où FO est la fréquence de résonance et n le rang maximal des harmoniques observables.
6. 6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la correction est réalisée au moyen d'une table de compensation (116) ajustée de manière itérative après une estimation d'amplitude des harmoniques. 13
7. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel l'estimation des amplitudes est effectuée par la méthode des moindres carrés.
8. 8. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, les moyens de mise en vibration et de détection comprenant des éléments électrostatiques (5.1, 5.2), le procédé comprend une phase d'identification qui comporte l'étape de faire varier une tension de polarisation des éléments électrostatiques en pilotant le résonateur de telle ma- nière que l'amplitude des signaux de détection demeure constante à une fréquence de résonance du résonateur.
9. 9. Dispositif de mesure angulaire pour la mise en œuvre du procédé objet de l'une quelconque des revendications précédentes, comportant un résonateur associé à des éléments électrostatiques (5.1, 5.2) qui sont reliés à un circuit de traitement (10, 100) par lequel transitent des signaux de commande et des signaux de mesure, le circuit de traitement comportant un convertisseur analogique/numérique (13, 113), un amplificateur de charge (12, 112), et un organe de traitement (14, 114) agencé pour effectuer une analyse spectrale des signaux de mesure de manière à y détecter des distorsions harmoniques et pour corriger au moins une partie des signaux transitant par le circuit de traitement au moyen d'une table de compen- sation (116) pour atténuer les distorsions harmoniques.