FR2953588A1 - Procede de determination d'un cap par rotation d'un dispositif inertiel - Google Patents

Abstract

Procédé de détermination d'un cap au moyen d'un dispositif inertiel (1) comportant au moins un gyroscope vibrant (3), le procédé comprenant les étapes de : - positionner le dispositif inertiel de telle manière que le gyroscope s'étende au voisinage d'un plan sensiblement horizontal, - orienter le dispositif inertiel successivement dans un nombre prédéterminé d'orientations autour d'un axe vertical, le nombre prédéterminé étant supérieur à un, - pour chaque orientation, régler un angle électrique du gyroscope vibrant sur une valeur prédéterminée, la valeur prédéterminée de l'angle électrique étant la même pour toutes les orientations du dispositif inertiel, et effectuer une mesure, - déterminer le cap à partir des mesures et d'un angle entre les orientations.

Description

La présente invention concerne un procédé de détermination d'un cap au moyen d'un dispositif inertiel utilisable par exemple comme gyrocompas et chercheur de Nord. Il est connu de déterminer un cap au moyen d'un dispositif inertiel de type gyrocompas comportant trois capteurs angulaire (gyromètre ou gyroscope) et deux ou trois accéléromètres de manière à mesurer et positionner la rotation de la Terre. Pour améliorer la précision de la détermination, il est connu d'effectuer des mesures de cap pour deux po- sitions angulaires différentes du dispositif inertiel par rapport à l'axe vertical. Ce procédé est connu sous le nom de double alignement ou alignement deux positions. Il est par ailleurs connu des gyroscopes vibrants qui sont classiquement utilisés dans des systèmes iner- tiels destinés à la navigation, comme cela est le cas par exemple pour un compas gyroscopique adapté pour fournir une mesure d'angle par rapport à une direction de réfé- 20 rence qui est celle du Nord géographique (Cap). Les gyroscopes 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 25 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 30 fonctionnent notamment en boucle ouverte et permettent de mesurer un angle de rotation absolu sur la base d'une me-sure d'un angle, dit angle électrique, représentant la position de vibration du gyroscope par rapport à des électrodes de mesure. Les mesures fournies par ces gyros- 35 copes vibrants peuvent être entachées d'erreurs qui sont 10 15 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.

Un but de l'invention est de fournir un moyen pour améliorer encore les performances de la détermination de cap au moyen d'un dispositif inertiel muni de gyroscopes vibrants. A cet effet, on prévoit, selon l'invention, un procédé de détermination d'un cap au moyen d'un dispositif inertiel fournissant des mesures au moyen d'au moins un gyroscope vibrant, le procédé comprenant les étapes de . - positionner le dispositif inertiel de telle ma- nière que le gyroscope s'étende au voisinage d'un plan sensiblement horizontal, - orienter le dispositif inertiel successivement dans un nombre prédéterminé d'orientations autour d'un axe vertical, le nombre prédéterminé étant supérieur à un, - pour chaque orientation, régler un angle électrique du gyroscope vibrant sur une valeur prédéterminée, la valeur prédéterminée de l'angle électrique étant la même pour toutes les orientations du dispositif inertiel, et effectuer une mesure, - déterminer le cap à partir des mesures et d'un angle entre les orientations. Ainsi, la prise en compte de plusieurs mesures et de l'angle entre les orientations du dispositif inertiel autour de l'axe vertical, avec un réglage de l'angle électrique à la même valeur quelle que soit la position angulaire du dispositif inertiel, et la mesure réalisée en gyroscope permettent d'obtenir une meilleure précision dans la détermination de cap. Le pilotage du capteur an- gulaire en gyroscope permet en effet de s'affranchir des erreurs de gain qui pourraient intervenir lors d'un fonctionnement en mode gyromètre. Lorsque le dispositif inertiel comprend, outre ledit gyroscope, au moins un autre capteur comme au moins un autre gyroscope et/ou au moins un accéléromètre, les mesures fournies par l'ensemble des capteurs sont utilisées pour déterminer le cap. Selon un premier mode de mise en oeuvre, le dispositif comprend au moins deux gyroscopes et est positionné pour que les deux gyroscopes s'étendent au voisinage du plan horizontal, et le nombre prédéterminé d'orientations est au moins égal à deux et, de préférence, l'angle entre les orientations est de 180°. La dérive mesurée pour chacun des capteurs angulaires est identique pour chaque orientation et le posi- tionnement dans deux positions angulaires opposées permet d'éliminer les erreurs harmoniques qui sont contenues dans la mesure (à la valeur prédéterminée de l'angle électrique) et vont s'annuler lors du calcul de la moyenne. Ce mode de mise en oeuvre est particulièrement simple et représente le cas optimal de retournement per-mettant d'éliminer le défaut de mesure de chaque gyroscope du plan horizontal par moyennage et ainsi d'obtenir un cap indépendant de l'erreur de dérive des deux gyroscopes horizontaux. Ce mode de mise en oeuvre avec des me- sures dans deux orientations représente le meilleur compromis entre la durée des opérations de mesure et les performances obtenues. Selon un deuxième mode de mise en oeuvre, le dis-positif comprenant un seul gyroscope, le nombre prédéter- miné d'orientations est au moins égal à deux, et préférentiellement au moins égal à trois. Il faut deux orientations pour déterminer le cap et l'orientation supplémentaire permet d'identifier la dérive. En effet, avec deux orientations, on dispose de deux mesures et de deux équations de dérives associées : il est dès lors possible de calculer un cap en faisant la moyenne des mesures, moyennant ainsi également l'erreur de dérive, et de réinjecter ce cap calculé dans l'une des deux équations. On peut ainsi obtenir une valeur appro- chée de l'erreur de dérive et affiner la valeur de cap calculée. Avec trois orientations, l'opération est plus simple puisque l'on dispose de trois mesures et de trois équations associées pour déterminer trois inconnues : le cap, la mesure de rotation dans le plan et la dérive du gyroscope. Dans le cas de trois orientations, l'angle en- tre les orientations est de préférence de 120°. Le procédé de l'invention est ainsi adaptable à des dispositifs inertiels ne comportant qu'un seul gyroscope en offrant de bonnes performances.

Selon une caractéristique particulière de l'invention, le déplacement du dispositif inertiel entre ses orientations est effectué au moyen d'une plateforme rotative permettant un déplacement selon un angle préréglé.

Le dispositif inertiel est ainsi plus simple puisqu'il n'est plus nécessaire de déterminer l'angle entre les deux positions angulaires du dispositif inertiel, cet angle étant préréglé à une valeur connue. Avantageusement, le dispositif inertiel utilisé comprenant au moins un accéléromètre en association avec un gyroscope ou au moins deux accéléromètres en association avec au moins deux gyroscopes, les mesures accéléromètriques sont traitées pour déterminer une erreur de positionnement du dispositif inertiel par rapport à l'horizontale ainsi qu'une éventuelle rotation parasite du système. Le positionnement du dispositif inertiel par rapport au plan horizontal peut ainsi être réalisé de manière moins précise. Ceci facilite le positionnement du dispositif inertiel sur le terrain. Les accéléromètres, peuvent permettre de positionner le système par rapport à l'horizontale (gravité) et de mesurer d'éventuelles rotations parasites du système. Avantageusement, l'angle électrique est choisi de manière à avoir une valeur de dérive associée la plus faible possible. La précision de la détermination peut ainsi être encore améliorée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d'un mode de mise en œuvre particulier non limitatif de l'invention. Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif inertiel pour la mise en œuvre du procédé de l'invention selon un premier mode de mise en œuvre, - la figure 2 est une vue analogue à la figure 1 d'un dispositif inertiel adapté à un deuxième mode de mise en œuvre. En référence à la figure 1, le procédé est mis en œuvre au moyen d'un dispositif inertiel généralement dé-signé en 1 et comportant une plate-forme 2 (schématisée en traits mixtes doubles) pourvue de façon connue en elle-même de trois capteurs angulaires vibrants, ou gyroscopes, symbolisés en 3, et de trois accéléromètres symbolisés en 4. Les gyroscopes 3 et les accéléromètres 4 sont ici disposés selon trois axes orthogonaux d'un repère de mesure. Les gyroscopes 3 et les accéléromètres 4 ont une structure connue en elle-même. Seule la structure des gyroscopes 3 sera ici un peu détaillée pour les besoins de la description du procédé de l'invention. Les gyroscopes 3 comportent un résonateur axisymétrique en un matériau siliceux équipé d'électrodes permettant, dans un mode d'excitation, de mettre le résonateur en vibration de telle manière que la vibration soit symétrique par rapport à un axe perpendiculaire à un axe de référence du gyroscope 3 et dont la position angulaire autour de l'axe de référence est réglable par l'unité de commande 5 via une commande électrique appropriée des électrodes, commande dite de précession. La position angulaire de la vibration est appelée angle électrique. Les électrodes sont également utilisées dans un mode de détection pour déterminer la position angulaire de la vibration. Dans le mode de mesure mis en œuvre dans le procédé de l'invention, l'orientation de la vibration autour de l'axe est laissée libre, le déplacement de la vibration par rapport à une position initiale pouvant être associé à une information sur un déplacement angulaire du capteur.

Les gyroscopes 3 et les accéléromètres 4 sont reliés à une unité de commande 5 agencée pour piloter les gyroscopes 3, récupérer et exploiter les signaux provenant des gyroscopes 3 et des accéléromètres 4. Le dispositif inertiel 1 est ici une centrale inertielle classi- que permettant de faire de la navigation. L'unité de commande 5 est agencée pour exécuter un programme de commande du dispositif inertiel en mode gyrocompas. Ce programme met en œuvre le procédé, conforme à l'invention, de détermination d'un cap en par- ticulier vers le Nord. Le procédé comprend les étapes de : - disposer le dispositif inertiel 1 successive-ment dans deux orientations angulaires autour d'un axe vertical Z, - pour chaque orientation, régler l'angle électrique des gyroscopes 3 du plan horizontal sur une valeur prédéterminée et effectuer une mesure, - déterminer le cap à partir des mesures et d'un angle entre les orientations.

Les deux orientations sont décalées de 180° l'une par rapport à l'autre. La valeur prédéterminée de l'angle électrique est la même pour toutes les positions angulaires du dispositif inertiel. La valeur de l'angle électrique est ici a- vantageusement choisie de manière à avoir une valeur de dérive la plus faible possible. Pour chaque orientation, l'angle électrique pré-déterminé est commandé pour les capteurs angulaires vibrants 3 situés sur les axes x et y du plan horizontal.

L'angle électrique est fixé à la même valeur pour les me-sures en agissant sur la commande de précession (pendant et/ou après le changement d'orientation du dispositif inertiel). Les signaux émanant des capteurs angulaires et des accéléromètres sont alors mesurés afin de déterminer le cap, avec l'aide éventuelle de la connaissance de la latitude du système. Ce calcul est réalisé de manière connue en soi au moyen par exemple de régressions et de formules trigonométriques ou bien d'une intégration des mesures dans une navigation et un filtre de Kalman. Après la réalisation des mesures dans la première orientation, le dispositif inertiel est déplacé dans la deuxième orientation. Le décalage entre les deux orientations est mesuré en utilisant les gyroscopes 3.

L'angle électrique est ensuite réglé sur la même valeur que pour la première mesure sur les deux gyroscopes 3 situés dans le plan horizontal. Les signaux émanant des capteurs sont détectés et le cap est ensuite déterminé comme précédemment.

La valeur finale de cap est ensuite déterminée en calculant une moyenne des deux caps, ceci permettant de moyenner les erreurs liées aux mesures. Une mise en oeuvre au travers d'une navigation et par exemple d'un filtre de Kalman réalise cette opération directement.

Dans le cas de deux orientations décalées d'un angle différent de 180°, la précision de cap est égale-ment améliorée. En variante, comme représenté à la figure 2, le procédé de l'invention peut être mis en œuvre au moyen d'un dispositif inertiel 1 comportant une plate-forme 2 pourvue de seulement un gyroscope 3 destiné à être positionné dans le plan horizontal. Le dispositif inertiel est monté sur un dispositif rotatif 10 comportant un plateau 11 supporté par une embase pivotante 12 permettant de faire pivoter le plateau 11 autour d'un axe normal au plateau. L'embase pivotante 12 intègre un système de réglage angulaire 13 du plateau autour de l'axe de rotation. Ce type de système de réglage angulaire est connu en lui-même et se rencontre par exemple dans les plateaux diviseurs. Le système de réglage angulaire peut par exemple comprendre des organes de blocage du plateau dans des positions prédéterminées (les organes de blocage comprennent par exemple un verrou radial solidaire du plateau 11 et destiné à s'engager dans des logements ménagées en des positions prédéterminées dans un boîtier fixe de l'embase pivotante 12 du dispositif rotatif). Le plateau 11 est à positionner horizontalement par exemple au moyen de ni-veaux à bulle solidaires du dispositif rotatif 10. En va-riante, si le dispositif inertiel 1 comporte des accélé- romètres, ces derniers peuvent être utilisés pour déterminer l'inclinaison du plateau du dispositif rotatif et du dispositif inertiel fixé sur le plateau du dispositif rotatif et en tenir compte, de façon connue, pour déterminer une erreur de positionnement du dispositif inertiel par rapport à l'horizontale ou pour déterminer le cap. Le procédé comprend les étapes de faire pivoter le plateau pour positionner le dispositif inertiel successivement dans trois orientations. Les trois orientations sont écartées de 120° les unes des autres. En va- riante, il est possible d'avoir quatre orientations à 90° ou plus. Le plateau étant immobilisé dans chaque orientation, l'angle électrique est recalé sur une position pré-déterminée et une mesure est effectuée.

Le traitement des mesures est effectué comme précédemment. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de mise en œuvre particuliers décrits mais englobe également toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, le dispositif inertiel peut comprendre un nombre différent de gyroscopes ou d'accéléromètres, le dispositif inertiel devant toutefois comprendre au moins un gyroscope.

Le nombre prédéterminé d'orientations peut être supérieur à deux dans le premier mode de mise en œuvre et d'écartements quelconques. Dans le second mode, l'écartement des orientations peut être quelconque.

La mise en œuvre est généralisable à des systèmes n'ayant pas des axes orthogonaux. La mise en œuvre est généralisable à des gyroscopes vibrants 2 axes. La mise en œuvre peut être de type continue, avec notamment un filtre de KALMAN, ou discontinue.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de détermination d'un cap au moyen d'un dispositif inertiel (1) fournissant des mesures au moyen d'au moins un gyroscope vibrant (3), le procédé comprenant les étapes de : - positionner le dispositif inertiel de telle manière que le gyroscope s'étende au voisinage d'un plan sensiblement horizontal, - orienter le dispositif inertiel successivement dans un nombre prédéterminé d'orientations autour d'un axe vertical, le nombre prédéterminé étant supérieur à un, - pour chaque orientation, régler un angle élec- trique du gyroscope vibrant sur une valeur prédéterminée, la valeur prédéterminée de l'angle électrique étant la même pour toutes les orientations du dispositif inertiel, et effectuer une mesure, - déterminer le cap à partir des mesures et d'un angle entre les orientations.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, le dispositif inertiel comprenant un seul gyroscope, dans lequel le nombre prédéterminé d'orientations est au moins égal à deux et de préférence à trois.
3. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel l'angle entre les orientations est de 120°.
4. 4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, le dispositif comprend au moins deux gyroscopes, étant positionné pour que les deux gyroscopes s'étendent au voisinage du plan horizontal et le nombre prédéterminé d'orientations est au moins égal à deux.
5. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel l'angle entre les orientations est de 180°.
6. 6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le déplacement du dispositif inertiel entre ses orienta-tions est effectué au moyen d'une plateforme rotative (11) permettant un déplacement selon un angle préréglé.
7. 7. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le dispositif inertiel (1) utilisé comprenant au moins un accéléromètre en association avec un gyroscope ou au moins deux accéléromètres en association avec au moins deux gyroscopes, les mesures du ou des accéléromètres sont traitées pour déterminer une erreur de positionne-ment du dispositif inertiel par rapport à l'horizontale ainsi qu'une éventuelle rotation parasite du système.
8. 8. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'angle électrique est choisi de manière à avoir une va-leur de dérive associée la plus faible possible.
9. 9. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le cap est déterminé en calculant une moyenne des mesures.
10. 10. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le cap est déterminé en intégrant les mesures dans une navigation et un filtre de Kalman.