FR2965345A1

FR2965345A1 - Centrale inertielle a gyroscopes orientables et procede de mesure angulaire

Info

Publication number: FR2965345A1
Application number: FR1003786A
Authority: FR
Inventors: Christian Lignon
Original assignee: Sagem Defense Securite SA
Current assignee: Safran Electronics and Defense SAS
Priority date: 2010-09-23
Filing date: 2010-09-23
Publication date: 2012-03-30
Anticipated expiration: 2030-09-23
Also published as: FR2965345B1

Abstract

Centrale inertielle comportant un cœur inertiel (3) relié à une unité de commande (50) et monté sur un support (1, 2, 4, 5, 6, 7, 8, 14) de maintien du cœur dans un repère inertiel (Xi, Yi, Zi), le cœur comportant au moins deux gyroscopes (9, 10, 11) montés relativement l'un à l'autre pour avoir des axes sensibles sensiblement perpendiculaires l'un à l'autre, caractérisé en ce que le cœur comprend des moyens de pivotement de chaque gyroscope autour d'un axe de pivotement (R1, R2 R3) sensiblement perpendiculaire à l'axe sensible du gyroscope concerné, l'unité de commande étant reliée aux moyens de pivotement pour commander ceux-ci et étant agencée pour effectuer des mesures angulaires au moyen des gyroscopes dans au moins deux orientations de ceux-ci autour de l'axe de pivotement concerné. Procédé de mesure angulaire comportant une étape d'orientation des gyroscopes.

Description

1 La présente invention concerne une centrale inertielle destinée à être montée sur un véhicule. Le véhicule peut être un véhicule terrestre, un aéronef, un na-vire, dont la navigation nécessite la connaissance de la position, de la vitesse et de l'attitude (cap, roulis et tangage). L'invention concerne également un procédé de mesure angulaire. Une centrale de navigation inertielle moderne comprend généralement un coeur inertiel et une plateforme de support du coeur inertiel agencée pour maintenir le coeur dans un repère inertiel. Le coeur inertiel comprend des capteurs inertiels tels que des gyroscopes et des accéléromètres disposés selon les axes du repère de mesure. Les gyroscopes mesurent des rotations angulaires du re- père de mesure par rapport à un référentiel géographique et fournissent l'attitude du véhicule dans le référentiel géographique. Les accéléromètres mesurent des accélérations qui sont projetées dans le référentiel géographique puis intégrées une première fois pour fournir la vitesse, puis une seconde fois pour fournir la position. La précision d'une centrale de navigation inertielle dépend directement des erreurs des capteurs inertiels, et plus précisément de la projection de ces erreurs dans le repère géographique local et, dans le cas d'une navigation inertielle de longue durée, les erreurs de position dé-pendent de manière prépondérante de la précision des gyroscopes. La précision des gyroscopes est affectées par les erreurs de dérive (décalage à l'origine de la mesure, une grandeur nulle n'est alors pas mesurée à zéro), de facteurs d'échelle (l'erreur de facteur d'échelle est l'erreur sur le coefficient multiplicateur de la mesure), et de calage d'axes (erreur d'orthogonalité entre les axes de mesure). Dans les coeurs inertiels, il est notamment connu d'utiliser des gyroscopes à résonateur vibrant. Les gy- roscopes vibrants sont axisymétriques à effet Coriolis (CVG pour « Coriolis Vibratory Gyroscopes »), par exemple à résonateur hémisphérique (GRH ou HRG pour « Hemispherical Resonance Gyroscopes »), et sont plus généralement dits de type I comme dans le document « Type I and Type II micromachined vibratory gyroscopes » de Andrei M. Shkel, pages 586-593, IEEE/ION (pour « Institute of Electrical and Electronics Engineer/ Institute Of Navigation ») PLANS 2006, San Diego, CA, USA. Ces gyroscopes fonctionnent notamment en boucle ouverte et permettent de mesurer un angle de rotation absolu sur la base d'une me-sure d'un angle représentant la position de vibration du gyroscope par rapport à des électrodes de mesure (angle électrique). Les mesures fournies par ces gyroscopes vi- brants peuvent être entachées d'erreurs qui sont essentiellement fonction de la position de la vibration par rapport aux électrodes de mesure. Ces erreurs sont donc variables en fonction de la position de vibration représentée par l'angle électrique.

Pour améliorer la précision de ces centrales inertielles, il est courant d'utiliser des gyroscopes présentant de meilleures performances. Toutefois, de tels gyroscopes sont relativement coûteux. Un but de l'invention est de fournir un moyen permettant d'améliorer la précision des centrales iner- tielles pour un coût contenu. A cet effet, on prévoit, selon l'invention, une centrale inertielle comportant un coeur inertiel relié à une unité de commande et monté sur un support de maintien du coeur dans un repère inertiel, le coeur comportant au moins deux gyroscopes montés relativement l'un à l'autre pour avoir des axes sensibles s'étendant perpendiculaire-ment l'un à l'autre, caractérisé en ce que le coeur comprend des moyens de pivotement de chaque gyroscope autour d'un axe de pivotement sensiblement perpendiculaire à 3 l'axe sensible du gyroscope concerné, l'unité de commande étant reliée aux moyens de pivotement pour commander ceux-ci et étant agencée pour effectuer des mesures angulaires au moyen des gyroscopes dans au moins deux orien- tations de ceux-ci autour de l'axe de pivotement concerné. Comme l'axe de pivotement est sensiblement perpendiculaire à l'axe sensible, le gyroscope ne détecte sensiblement pas le pivotement, étant entendu que plus la contrainte de perpendicularité est respectée et moins le gyroscope sera sensible au pivotement. Dans le cas des gyroscopes vibrants axisymétriques, l'angle électrique va donc rester sensiblement constant de sorte que les défauts des gyroscopes seront aux aussi constants au signe près. Le pivotement physique des gyroscopes permet un moyennage des défauts sans affecter les paramètres internes de fonctionnement des gyromètres. L'invention a également pour objet un procédé de mesure angulaire au moyen d'un coeur inertiel comportant au moins deux gyroscopes montés pour avoir des axes sensibles sensiblement perpendiculaires l'un à l'autre, le procédé comprenant les étapes de : - amener chaque gyroscope dans au moins deux orientations autour d'un axe de pivotement sensiblement perpendiculaire à l'axe sensible, - effectuer une mesure intermédiaire avec chaque gyroscope dans chacune de ses orientations, - déterminer une mesure résultat à partir des me-sures intermédiaires.

La mesure résultat est par exemple obtenue par moyennage des mesures intermédiaires dans un repère inertiel. Selon une mise en oeuvre particulière, le coeur étant monté sur un support de maintien du coeur dans un repère inertiel, le support comportant un dispositif à cardans qui comporte au moins trois axes de rotation et qui est associé à une unité triaxiale comportant des gyroscopes dont au moins un a un même axe sensible qu'un des gyroscopes du coeur, le procédé comprenant les étapes de . - effectuer une mesure au moyen dudit gyroscope de l'unité triaxiale ayant un même axe sensible qu'un des gyroscopes du coeur lorsque ledit gyroscope du coeur est dans chacune de ses orientations, - comparer les mesures dudit gyroscope de l'unité triaxiale ayant un même axe sensible qu'un des gyroscopes du coeur et celles dudit gyroscope du coeur, - en déduire une correction des mesures dudit gyroscope de l'unité triaxiale.

Ceci permet de faire bénéficier le gyroscope de l'unité triaxiale de la précision (meilleure) du gyroscope du coeur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers non limita- tifs de l'invention. Il sera fait référence à la figure unique annexée représentant schématiquement en perspective une centrale inertielle conforme à l'invention.

En référence à la figure, la centrale inertielle de l'invention comprend une plate-forme 1 permettant la fixation de la centrale inertielle à un véhicule tel qu'un navire. La plate-forme 1 supporte un joint cardan 2 pour orienter trois axes X, Y, Z d'un repère lié à un coeur inertiel 3, par rapport à trois axes Xi, Yi, Zi d'un repère inertiel fixe dont l'origine est indifférente, par exemple ici le centre de la terre. Les axes Xi et Yi sont orientés dans le plan équatorial de la terre, et l'axe Zi est orienté selon l'axe de rotation de la terre. Un pre- mier degré de liberté en rotation est donné par un axe matériel 4, solidaire du véhicule. Un moteur 5 permet de faire tourner l'axe 4 de façon à annuler les effets des variations de cap du porteur. Un deuxième degré de liber-té en rotation est donné par un axe matériel 6, solidaire du coeur inertiel 3. Un moteur 7 permet de faire tourner l'axe 6 de façon à annuler les effets de rotation du porteur autour de l'axe 6. Un troisième degré de liberté en rotation est donné par un troisième axe matériel 14, perpendiculaire à l'axe matériel 4 et à l'axe matériel 6. Un moteur 8 permet de faire tourner le troisième axe 14 de façon à annuler les rotations du véhicule autour de l'axe 14. Les trois degrés de liberté ci-dessus permettent de contrer les mouvements de houle et de rotation terrestre pour maintenir le coeur inertiel 3 dans le repère iner- tiel. De préférence, le support ainsi constitué peut également comprendre un quatrième axe matériel motorisé, colinéaire d'un des trois axes précités, permettant de façon connue en elle-même, de conserver trois degrés de liberté en rotation lors du passage d'un des pôles terres- tres par le véhicule porteur. Le coeur inertiel 3 comprend trois gyroscopes 9, 10, 11 et trois accéléromètres 19, 20, 21. Les gyroscopes 9, 10, 11 sont des gyroscopes vibrants axisymétriques comportant un résonateur maintenu en vibration et permet- tant une mesure d'angle par détection d'une position de la vibration autour d'un axe du résonateur (angle électrique). Le résonateur est ici de préférence hémisphérique (gyroscope de type GRH). L'accéléromètre 19 mesure les accélérations du coeur inertiel 3 dans la direction de l'axe Y et le gyroscope 9 les rotations du coeur inertiel 3 autour de l'axe Y. L'accéléromètre 20 mesure les accélérations du coeur inertiel 3 dans la direction de l'axe X et le gyroscope 10 les rotations du coeur inertiel 3 au-tour de l'axe X. L'accéléromètre 21 mesure les accéléra- tions du coeur inertiel 3 dans la direction de l'axe Z et 6 le gyroscope 11 les rotations du coeur inertiel 3 autour de l'axe Z. Les gyroscopes 9, 10, 11 permettent de mesurer des angles de rotation du coeur inertiel 3 par rapport à chacun des trois axes Xi, Yi, Zi. Les accéléromètres 19, 20, 21 permettent de mesurer l'accélération du coeur inertiel 3 dans chacune des directions selon les axes X, Y, Z. Il est alors possible de calculer des accélérations du véhicule selon les axes Xi, Yi, Zi du référentiel inertiel, par déduction des accélérations mesurées puis par intégration la vitesse et par double intégration la position du véhicule dans le référentiel inertiel Xi, Yi, Zi. Chaque gyroscopes 9, 10, 11 est monté pour pivoter autour d'un axe de pivotement R1, R2, R3 perpendicu- laire à son axe sensible Y, X, Z. A cette fin, chaque gyroscope 9, 10, 11 est monté sur des paliers - comme des roulements à billes, rouleaux, aiguilles ou autres - coaxial à l'axe de pivotement R1, R2, R3 pour assurer un pivotement du gyroscopes autour de l'axe de pivotement en respectant l'orthogonalité de l'axe de pivotement R1, R2, R3 et de l'axe sensible Y, X, Z. Un moteur non représenté est associé à chaque gyroscope 9, 10, 11 pour entraîner celui-ci en rotation autour de l'axe de pivotement R1, R2, R3.

Le dispositif de navigation comprend une unité de commande, schématisée en 50, programmée pour piloter le coeur inertiel 3 et mettre en oeuvre le procédé de mesure de l'invention. L'unité de commande 50 est reliée aux capteurs inertiels et aux moteurs de pivotement des gyroscopes pour commander ceux-ci. L'unité de commande 50 est programmée pour effectuer des mesures angulaires au moyen des gyroscopes 9, 10, 11 dans au moins deux orientations de ceux-ci autour de l'axe de pivotement concerné R1, R2, R3. Les deux orientations de chaque gyroscope sont espa- cées de 180°. Le procédé mis en oeuvre par l'unité de commande 50 comprend plus précisément les étapes de - amener chaque gyroscope 9, 10, 11 dans au moins deux orientations autour de l'axe de pivotement R1, R2, R3 sensiblement perpendiculaire à l'axe sensible, - effectuer une mesure intermédiaire avec chaque gyroscope 9, 10, 11 dans chacune de ses orientations, - déterminer une mesure résultat à partir des me- sures intermédiaires. Ceci permet d'obtenir une mesure résultat avec une réduction de l'influence des erreurs et des défauts par moyennage des mesures intermédiaires, voire leur élimination lorsque leurs signes s'inversent entre les deux orientations. Les gyroscopes 9, 10, 11 sont ici pivotés successivement vers leurs deux orientations mais peuvent égale-ment être pivotés simultanément. La centrale inertielle comprend en outre une uni- té gyroscopique triaxiale, symbolisée en 60 et connue en elle-même, qui permet d'assurer une stabilisation à court terme. L'unité triaxiale 60 comporte trois gyroscopes 69, 70, 71 ayant des axes sensibles colinéaires aux axes sensibles des gyroscopes 9, 10, 11. Les gyroscopes 69, 70, 71 ont des performances inférieures à celles des gyroscopes 9, 10, 11 car la fonction des gyroscopes 69, 70, 71 est uniquement d'assurer la continuité de l'information gyroscopique lors du pivotement de chaque gyroscope 9, 10, 11. En effet, les performances des gyroscopes 9, 10, 11 sont moindres lors des pivotements. En outre, lors du pivotement de chaque gyroscope 9, 10, 11, l'axe sensible d'un des gyroscopes 9, 10, 11 risque d'être amené dans une position parallèle à l'axe sensible d'un autre des gyroscopes 9, 10, 11 de sorte que le coeur 2965345 s inertiel ne possède temporairement plus que deux axes gyroscopiques sensibles au lieu de trois précédemment. L'information selon l'axe gyroscopique manquant sera alors fournie par le gyroscope 69, 70, 71 correspondant 5 de l'unité triaxiale 60. Le procédé mis en oeuvre par l'unité de commande 50 comprend les étapes de - effectuer une mesure au moyen de chaque gyroscope 69, 70, 71 de l'unité triaxiale 60 lorsque le gyros- 10 cope correspondant 9, 10, 11 du coeur 3 est dans chacune de ses orientations, - comparer les mesures dudit gyroscope 69, 70, 71 de l'unité triaxiale 60 et celles du gyroscope correspondant 9, 10, 11 du coeur 3, 15 - en déduire une correction des mesures dudit gyroscope de l'unité triaxiale. Ceci permet de corriger les mesures des gyroscopes 69, 70, 71 en utilisant les mesures des gyroscopes 9, 10, 11, les premiers ayant des performances inférieures 20 aux seconds. La précision des gyroscopes 69, 70, 71 est par exemple comprise entre 0,1 et 10/h tandis que la précision des gyroscopes 9, 10, 11 est par exemple 100 à 500 fois meilleure (après application des retournements). L'asservissement permet de faire bénéficier aux gyrosco- 25 pes 69, 70, 71 de la précision des gyroscopes 9, 10, 11. On notera que l'opération de mesure effectuée par les gyroscopes 9, 10, 11 peut être soit poursuivie soit interrompue lors du pivotement desdits gyroscopes. On notera également que le pivotement des gyros- 30 capes 9, 10, 11 autour de leur axe de pivotement respectif R1, R2, R3 doit être précis pour respecter au maximum la contrainte d'orthogonalité entre l'axe de pivotement et l'axe sensible de telle manière que l'angle électrique de chaque gyroscope reste sensiblement constant pour les 35 deux orientations dudit gyroscope. Des paliers, tels que des roulements à billes, rouleaux ou aiguilles, de grande précision seront de préférence utilisés. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, au lieu d'un moteur par gyroscope, le coeur peut comporter des moyens de pivotement associés à un des gyroscopes et des moyens de pivotement communs au deux autres gyroscopes. Il est possible d'utiliser deux gyroscopes ayant chacun deux axes sensibles au lieu de trois gyroscopes ayant chacun un unique axe sensible. Dans ce cas, deux des axes sensibles des gyroscopes vont être parallèles l'un à l'autre et il est nécessaire de maintenir ces deux axes parallèles. La centrale inertielle peut ne pas comprendre d'accéléromètres par exemple pour une utilisation sur un satellite.

Les gyromètres peuvent être d'un autre type que des gyroscopes à résonateur vibrant et par exemple des gyroscopes à suspension électrostatique, â toupie, à joint accordé, à fibres optiques, à laser, ou bien encore des gyroscopes de type MEMS...

La centrale inertielle de l'invention peut ne pas comporter d'unité triaxiale. Dans ce cas, l'opération de mesure doit être effectuée en continu pendant le pivote-ment. I1 est dans ce cas possible d'éviter la mise en parallèle de deux axes sensibles (rendant inutile l'unité triaxiale) en faisant pivoter les trois gyroscopes en même temps de telle manière que leurs axes ne deviennent pas colinéaires. Le même résultat peut être obtenu en faisant pivoter simultanément deux gyroscopes, puis en faisant pivoter le dernier des gyroscopes ; ou l'inverse.

Claims

REVENDICATIONS1. Centrale inertielle comportant un coeur inertiel (3) relié à une unité de commande (50) et monté sur un support (1, 2, 4, 5, 6, 7, 8, 14) de maintien du coeur dans un repère inertiel (Xi, Yi, Zi), le coeur comportant au moins deux gyroscopes (9, 10, 11) montés relativement l'un à l'autre pour avoir des axes sensibles sensiblement perpendiculaires l'un à l'autre, caractérisé en ce que le coeur comprend des moyens de pivotement de chaque gyroscope autour d'un axe de pivotement (R1, R2, R3) sensible-ment perpendiculaire à l'axe sensible du gyroscope concerné, l'unité de commande étant reliée aux moyens de pivotement pour commander ceux-ci et étant agencée pour effectuer des mesures angulaires au moyen des gyroscopes dans au moins deux orientations de ceux-ci autour de l'axe de pivotement concerné.
2. Centrale inertielle selon la revendication 1, dans lequel les gyroscopes (9, 10, 11) sont au nombre de trois et comportent chacun un axe sensible unique (X, Y, Z).
3. Centrale inertielle selon la revendication 2, dans laquelle le coeur (3) comporte des moyens de pivote-ment associés à un des gyroscopes et des moyens de pivo- terrent communs au deux autres gyroscopes.
4. Centrale inertielle selon la revendication 2 ou la revendication 3, dans laquelle les gyroscopes (9, 10, 11) comportent un résonateur vibrant axisymétrique.
5. Centrale inertielle selon la revendication 4, dans laquelle le résonateur est hémisphérique.
6. Centrale inertielle selon la revendication 1, dans laquelle les deux orientations de chaque gyroscope (9, 10, 11) sont espacées de 180°.
7. Centrale inertielle selon la revendication 1, dans laquelle le support (1, 2, 4, 5, 6, 7, 8, 14) com-prend un dispositif à cardan comportant au moins trois axes de rotation.
8. Centrale inertielle selon la revendication 7, dans laquelle le dispositif à cardan comprend quatre axes de rotation.
9. Procédé de mesure angulaire au moyen d'un coeur inertiel (3) comportant au moins deux gyroscopes (9, 10, 11) montés pour avoir des axes sensibles sensiblement perpendiculaires l'un à l'autre, le procédé comprenant les étapes de : - amener chaque gyroscope dans au moins deux orientations autour d'un axe de pivotement sensiblement perpendiculaire à l'axe sensible, - effectuer une mesure intermédiaire avec chaque gyroscope dans chacune de ses orientations, - déterminer une mesure résultat à partir des me-sures intermédiaires. 13. Procédé selon la revendication 9, dans lequel les gyroscopes (9, 10, 11) sont pivotés simultanément vers leurs deux orientations. 14. Procédé selon la revendication 9, dans lequel une opération de mesure est effectuée en continu pendant le pivotement. 15. Procédé selon la revendication 9, dans lequel une mesure est effectuée uniquement pour chaque orientation des gyroscopes (9, 10, 11), l'opération de mesure étant interrompue pendant le pivotement. 16. Procédé selon la revendication 10, le coeur (3) étant monté sur un support (1, 2, 4, 5, 6, 7, 8, 14) de maintien du coeur dans un repère inertiel (Xi, Yi, Zi), le support comportant un dispositif à cardans qui comporte au moins trois axes de rotation et qui est associé à une unité triaxiale (60) comportant des gyroscopes (69, 70, 71) dont au moins un a un même axe sensible qu'un des gyroscopes du coeur, le procédé comprenant les étapes de : 5- effectuer une mesure au moyen dudit gyroscope de l'unité triaxiale ayant un même axe sensible qu'un des gyroscopes du coeur lorsque ledit gyroscope du coeur est dans chacune de ses orientations, - comparer les mesures dudit gyroscope de l'unité triaxiale ayant un même axe sensible qu'un des gyroscopes du coeur et celles dudit gyroscope du coeur, - en déduire une correction des mesures dudit gyroscope de l'unité triaxiale.