CH632591A5

CH632591A5 - Navigation device for a surface vehicle

Info

Publication number: CH632591A5
Application number: CH546979A
Authority: CH
Inventors: Jacques Resseguier; Jacques Barriac; Jean Doreau
Original assignee: Sagem Soc Applic Gen Elekt Mec
Priority date: 1978-06-14
Filing date: 1979-06-12
Publication date: 1982-10-15
Also published as: GB2023294B; IT1121290B; FR2428819A1; SE7905206L; SE448321B; GB2023294A; FR2428819B1; DE2923988C2; IT7923527A0; DE2923988A1; JPS5536788A

Description

L'invention est relative à un dispositif de navigation pour un véhicule de surface, cette expression désignant un véhicule appelé à se déplacer sur une surface matérielle, telle que notamment une surface maritime ou une surface terrestre.

L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de navigation pour un véhicule terrestre, tel qu'un char ou autre engin blindé.

On a déjà proposé de faire comporter à de tels dispositifs une plate-forme gyrostabilisée suivant trois axes, ce qui implique un encombrement et un coût de fabrication élevés.

Pour simplifier ces dispositifs, on a alors proposé de remplacer la plate-forme gyrostabilisée suivant trois axes par une plate-forme gyrostabilisée à deux axes (moins encombrante et moins coûteuse), le troisième axe étant matérialisé par une suspension pendulaire externe ou interne. Des dispositifs de ce genre fournissent des indications dont la précision peut être considérée comme insuffisante pour certaines applications dans lesquelles la stabilisation de la suspension pendulaire du troisième axe peut être mauvaise (véhicules blindés, notamment à chenilles, tels que chars).

L'invention a pour but un dispositif de navigation dans lequel la mesure relative au troisième axe (que cet axe soit gyrostabilisé ou simplement pendulaire) est supprimée et remplacée par une mesure de détection de la verticale qui sert alors de base à des calculs de correction.

On obtient alors un dispositif qui, grâce à cette mesure de détection de la verticale qui peut être très précise, donne, dans son ensemble, une précision bien supérieure à celle des dispositifs à plateforme gyrostabilisée suivant deux axes connus jusqu'à ce jour.

Dans une forme d'exécution du dispositif, les différents bouclages fonctionnels (qu'ils soient relatifs à la recherche du nord ou à la conservation du cap) sont réalisés par un calcul et non pas physiquement par une commande de précession de l'appareil gyros-copique selon des axes fixes vis-à-vis de la terre. Cela contribue à augmenter la précision d'ensemble du dispositif par rapport aux dispositifs existants.

Le dispositif selon l'invention comporte:

— une plate-forme à deux cardans et présentant deux axes perpendiculaires entre eux, à savoir un premier et un second axe,

— un gyroscope porté par le cœur de cette plate-forme et présentant deux axes de sensibilité respectivement parallèles (ou coaxiaux) aux deux axes de la plate-forme, ledit gyroscope stabilisant par asservissement les deux cardans de la plate-forme contre l'effet des frottements mécaniques au niveau des axes,

— des moyens de détection de la verticale selon une direction parallèle ou coaxiale au premier axe de la plate-forme, et selon une direction parallèle au moment cinétique du gyroscope, et

— une unité de traitement recevant des premiers signaux délivrés respectivement par les deux détecteurs de position angulaire relative de cardan disposés selon les deux axes de la plate-forme, et des seconds signaux délivrés par les moyens de détection de la verticale, cette unité de traitement tant agencée pour calculer, à partir de ces premiers et seconds signaux, et à partir d'un signal temps représentant le temps mis par le véhicule pour parcourir une certaine distance, l'angle dit de dépointage fait par l'axe de rotation du gyroscope et la direction nord, ce grâce à quoi on peut, à partir des deux composantes de cet angle de dépointage, déterminer le cap du véhicule.

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Connaissant ainsi l'évolution du cap, on peut alors, à partir d'un signal distance représentant la distance parcourue, calculer la position du véhicule.

Les moyens de détection de la verticale peuvent être constitués

— par une centrale accélérométrique à deux axes de sensibilité (centrale à deux accéléromètres à un axe, ou à un accéléromètre à deux axes), ou

— par des dispositifs à niveaux, ou encore

— par un moyen interne automatique orienté suivant le premier axe de la plate-forme (accéléromètre à un axe ou dispositif à niveau) et un moyen externe de nivellement manuel du deuxième axe de la plateforme.

Selon un procédé de mise en action du dispositif conforme à l'invention, on effectue les étapes successives suivantes, le véhicule étant arrêté:

— on procède d'abord à une recherche automatique préliminaire du nord en amenant l'axe de rotation du gyroscope à être coaxial, ou sensiblement coaxial, à la direction du nord, cette opération étant effectuée en commandant les moteurs couples d'asservissement des deux cardans de la plate-forme,

— on laisse le gyroscope en dérive libre, les cardans étant stabilisés,

— on calcule alors l'angle de dépointage fait par l'axe de rotation du gyroscope et la direction du nord, et l'angle d'erreur de perpendi-cularité fait par l'axe de rotation du gyroscope et la pesanteur, et

— on en déduit le cap du véhicule arrêté.

Le véhicule peut alors être mis en route, le gyroscope étant ensuite uniquement exploité comme conservateur de cap et n'opérant plus la recherche du nord; le dispositif fournit alors le cap du véhicule. Après la mise en route du véhicule (c'est-à-dire dans la phase de déplacement), les dérives dites de couple fixe sont corrigées physiquement au niveau du gyroscope, et les dérives dites de balourd sont corrigées par le calcul au niveau de l'unité de traitement.

Cette fonction recherche du nord à l'arrêt du gyroscope est effectuée par des méthodes classiques de calcul, le cœur de la plateforme étant préorienté en agissant sur les deux moteurs couples des deux cardans de la plate-forme.

Les moyens de détection de la verticale permettent, grâce à celui des seconds signaux qu'ils délivrent et qui correspond à l'inclinaison de l'axe de rotation du gyroscope à deux axes, de déterminer la vitesse de rotation du cœur de la plate-forme par rapport à la terre et d'en déduire le décalage de l'axe de rotation du gyroscope par rapport à la direction nord et à la pesanteur.

Il est à remarquer que, dans ce type de dispositif, on ne cherche pas à ramener l'axe de rotation du gyroscope dans le plan méridien.

Cette opération également peut alors être effectuée en tenant compte des corrections de redressement basées sur la mesure de la verticale, en maintenant horizontal l'axe de rotation du gyroscope par précession électrique.

La lecture du cap utilise le signal de position du second cardan (correspondant à sa position par rapport au véhicule), ce signal de position étant corrigé d'un signal d'erreur (erreur de cardans) en utilisant les données des positions relatives entre, d'une part, les deux cardans de la plate-forme et, d'autre part, l'inclinaison par rapport à l'axe est-ouest.

Cette façon de procéder présente, par rapport aux dispositifs classiques (du type gyrocompas), l'avantage de conduire à des temps de réaction plus courts et à une meilleure précision.

En ce qui concerne la fonction conservation du cap du gyroscope, on se base sur le fait que le cœur de la plate-forme est déjà orienté vers le nord avec une erreur connue, donnée par le gyroscope au bout de quelques minutes, lorsque le véhicule est arrêté.

Pour conserver cette orientation, lorsque le véhicule est en marche, on fait porter au dispositif une centrale accélérométrique équipée, comme déjà indiqué ci-dessus, d'un accéléromètre asservi à deux axes, ou de deux accéléromètres asservis à un axe, accéléromètres présentant une grande précision et un temps de réponse très court (grande bande passante).

Lors du déplacement du véhicule, le gyroscope reste en dérive libre tout en stabilisant les deux cardans de la plate-forme et il est uniquement compensé physiquement des dérives dites de couple fixe et par le calcul des dérives dites de balourd.

L'axe de rotation du gyroscope reste fixe vis-à-vis des étoiles, tout en décrivant un cône, par rapport à la terre, qui est parfaitement prévisible et donc calculable.

C'est par la mesure précise de la verticale (mesure réalisée par la centrale accélérométrique et par les deux détecteurs de position des deux axes de la plate-forme) qu'il est possible, connaissant par ailleurs la distance parcourue (signal distance) et le temps écoulé (signal temps), de calculer l'angle de dépointage entre l'axe de rotation du gyroscope et le nord, cet angle variant d'ailleurs de façon calculable du fait de la rotation de la terre.

Cette façon de procéder présente l'avantage, par rapport à celle utilisée dans les dispositifs connus jusqu'à ce jour, d'éliminer les erreurs qui résulteraient de l'application de couples de précession pour compenser la rotation terrestre dans des directions qui seraient entachées de l'erreur due à la verticale apparente; pour la même raison, les dérives dites de balourd sont compensées par le calcul au niveau de l'unité de traitement.

Pour faciliter les calculs et, par là, la conception de l'unité de traitement, et ce tout en conservant les avantages indiqués ci-dessus, il est avantageux de prévoir une boucle d'asservissement pour maintenir l'axe de rotation du gyroscope dans un plan horizontal. De la sorte, le déplacement en azimut de l'axe de rotation du gyroscope dans le plan horizontal s'effectue de façon linéaire et uniforme suivant une périodicité égale à la période d'un pendule de Foucault (33 h/tr à la latitude de 45°).

A cet effet, l'unité de traitement est agencée pour délivrer un signal de commande agissant sur les deux moteurs couples de précession du gyroscope, de sorte que l'axe de rotation du gyroscope soit maintenu dans un plan horizontal.

On va maintenant exposer le principe de navigation tel qu'il peut être appliqué avec le dispositif selon l'invention.

Le signal distance est décomposé suivant l'axe perpendiculaire au plan défini par les deux axes de la plate-forme et le premier axe de la plate-forme.

Les seconds signaux délivrés par les moyens de détection de la verticale permettent d'effectuer une correction due à la pente de la surface sur laquelle se déplace le véhicule, ce qui permet d'obtenir un signal distance corrigé, c'est-à-dire ramené dans le plan horizontal.

Grâce au temps de réponse très court (grande bande passante) des moyens de détection de la verticale (centrale accélérométrique), il est possible de filtrer efficacement les fluctuations de la verticale apparente (vibrations du véhicule, irrégularités de la surface sur laquelle se déplace le véhicule).

De plus, il est avantageux de prévoir des moyens de compensation pour corriger, au niveau de l'unité de traitement, les décalages existant entre le vecteur déplacement du véhicule et la direction de référence de la plate-forme stabilisée.

Grâce à ces moyens de compensation, il est possible d'introduire, dans l'unité de traitement, un facteur d'échelle tenant compte de l'usure des organes moteurs du véhicule lorsqu'il s'agit d'un véhicule terrestre (roues et/ou chenilles).

On peut, en particulier, utiliser la formule de décomposition suivante selon les deux axes suivants:

— axe horizontal est-ouest, et

— axe horizontal nord-sud.

( K \

AE=ASdI 1 lcosasin(i};+p)

V K mJ ( K \

AN=ASd I 1 1 cos a cos (v + p)

V Km/

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Dans cette formule K

kI

(,-î)

V K J

représente le facteur d'échelle évalué à partir du coefficient K représentant la somme des distances parcourues et du coefficient Km dépendant du véhicule,

— a représente l'angle formé par le vecteur de déplacement VD du véhicule et le plan horizontal (a est connu en partie par les indications fournies par le gyroscope, en partie par les indications fournies par la centrale accélérométrique),

— 'y représente l'angle de dépointage (prévisible en grande partie) fait par l'axe de rotation du gyroscope et la direction nord (en projection horizontale), et

— p représente le cap, c'est-à-dire l'angle d'écart fait par la projection horizontale du vecteur déplacement VD du véhicule et l'axe de référence du gyroscope, cet angle correspondant à la lecture de l'un des détecteurs de position corrigée de l'erreur du cardan.

L'invention pourra être bien comprise à l'aide du complément de description qui suit, ainsi que des dessins ci-annexés, lesquels complément et dessins sont relatifs à un mode d'application et à des modes de réalisation préférés de l'invention.

La fig. 1 de ces dessins est une vue schématique d'un dispositif de navigation pour véhicule terrestre, établi suivant un premier mode de réalisation de l'invention.

La fig. 2 de ces dessins est une vue schématique d'un dispositif de navigation conservateur de cap pour véhicule terrestre, établi suivant un autre mode de réalisation de l'invention.

Comme montré sur le mode de réalisation illustré sur la fig. 1 (correspondant à une position horizontale du véhicule), le dispositif de navigation pour véhicules terrestres comporte:

a) une plate-forme 1 à deux cardans et présentant deux axes YY et ZZ perpendiculaires entre eux,

b) un gyroscope 2 porté par le cœur 3 de cette plate-forme 1 et présentant deux axes de sensibilité eoY et wz respectivement parallèles (ou coaxiaux) aux deux axes YY et ZZ delà plate-forme 1, ledit gyroscope 2 stabilisant par asservissement les deux cardans de la plate-forme I contre l'effet des frottements mécaniques au niveau des axes,

c) des moyens de détection de la verticale 4 selon une direction fy parallèle ou coaxiale à l'axe YY de la plate-forme 1 et selon une direction fx parallèle à l'axe de rotation H du gyroscope 2, c'est-à-dire parallèle (ou à peu près parallèle) à l'axe XX du moment cinétique du gyroscope 2, et d) une unité de traitement 5 recevant des premiers signaux SwY et SwZ délivrés respectivement par les deux détecteurs de position angulaire de cardan 6Y et 6Z relatifs aux deux axes YY et ZZ de la plate-forme 1, et des seconds signaux Sfx et Sjy délivrés par les moyens de détection de la verticale 4, cette unité de traitement 5 étant agencée pour calculer, à partir de ces premiers et seconds signaux SmY, S6jZ et Sfx, Sfy, et à partir d'un signal temps ST représentant le temps mis par le véhicule pour parcourir une certaine distance, l'angle de dépointage i fait par l'axe de rotation H du gyroscope 2 et la direction nord.

On peut alors, à partir des deux composants de cet angle de dépointage, déterminer le cap du véhicule.

La stabilisation de la plate-forme 1 par le gyroscope 2 s'opère par des détecteurs de position angulaire disposés à l'intérieur du gyroscope 2 et par des moteurs d'asservissement disposés sur les axes de cardan de la plate-forme 1, de façon classique, lesdits détecteurs et moteurs d'asservissement n'étant pas représentés pour cette raison.

Ces détecteurs de position angulaire de cardan 6Y et 6Z peuvent être constitués par des resolvers ou des synchros.

Le gyroscope 2 peut être constitué par un gyroscope du type S commercialisé par le titulaire.

Les moyens de détection de la verticale 4 peuvent avantageusement comporter une centrale accélérométrique portée par le cœur 3 5 de la plate-forme 1 et présentant deux axes de sensibilité fY et fx.

Il est possible de faire comporter à la centrale accélérométrique deux accéléromètres asservis à un axe de sensibilité, orientés l'un selon fx et l'autre selon fY.

Cependant, il semble préférable de faire comporter à cette 10 centrale accélérométrique un seul accéléromètre asservi à deux axes de sensibilité, orientés l'un selon fx et l'autre selon fY,

Un tel accéléromètre asservi à deux axes de sensibilité peut être constitué par un accéléromètre du type F2 commercialisé par le titulaire.

15 Selon une variante de l'invention, les moyens de détection de la verticale 4 peuvent comporter deux dispositifs à niveau portés par le cœur 3 de la plate-forme 1 et orientés suivant deux axes de sensibilité fx et fY, fY étant parallèle (ou coaxial) à l'axe YY de la plateforme 1, et fx étant perpendiculaire à l'axe YY de la plate-forme 1. 20 De tels dispositifs à niveau peuvent être des dispositifs électrolyti-ques du genre de ceux du type niveaux VARS commercialisés par le titulaire.

Sur la fig. 2, on a représenté un autre mode de réalisation de l'invention qui est relatif à un dispositif qui assure uniquement la 25 fonction conservation du cap. Sur cette fig. 2, les mêmes chiffres de référence désignent les mêmes organes que sur la fig. 1.

Les moyens de détection de la verticale 4 comportent un moyen interne automatique à un axe 4a orienté suivant l'axe XX et la plateforme 1 et détectant l'inclinaison de l'axe de rotation H du gyros-30 cope 2 (accéléromètre asservi à un axe de sensibilité ou dispositif à niveau), et un moyen externe manuel à deux axes 4b nivelant manuellement l'axe ZZ de la plate-forme I.

Il convient de remarquer qu'un seul axe de mesure de l'inclinaison du cœur 3 de la plate-forme 1 suffit.

35 Le moyen interne automatique à un axe fx peut être constitué par un accéléromètre 4a à un axe de sensibilité porté par le cœur 3 de la plate-forme 1.

Le moyen externe manuel à deux axes fx et fY peut être constitué par un dispositif à bulle de nivellement 4b porté par une structure 40 suspendue 11, monté à la cardan sur le châssis du véhicule, et servant de support à la plate-forme 1.

Pour mettre cette structure pendulaire 11 horizontale, on prévoit quatre vis de blocage 12.

De préférence, et comme montré sur la fig. 1, l'unité de traite-45 ment 5 est agencée pour délivrer deux signaux de commande SCY et Scz agissant respectivement sur les deux moteurs couples de précession du gyroscope 2, qui agissent eux-mêmes sur les deux axes YY et ZZ de la plate-forme 1, de sorte que l'axe de rotation H du gyroscope 2 soit maintenu dans un plan horizontal.

50 Ces moteurs couples de précession ne sont pas représentés et ils sont disposés, de manière tout à fait classique, dans le gyroscope 2 qui peut être, comme déjà dit ci-dessus, du type S commercialisé par le titulaire.

En ce qui concerne le signal distance SD et le signal temps ST, ils 55 peuvent être élaborés respectivement par un odomètre 8 (fig. 1) et par une base de temps intégrée à l'unité de traitement 5.

Quant au signal correspondant à l'angle de dépointage t(i, il peut être affiché par un dispositif d'affichage 10 (fig. 1), ainsi d'ailleurs que le cap du véhicule.

60 Pour ce qui est des moyens de compensation corrigeant les décalages existant entre le vecteur déplacement de véhicule VD et l'axe de rotation H du gyroscope 2, ils peuvent être constitués par un calculateur numérique connu, donc non représenté et non décrit. Ce calculateur peut être du type UTD 30 commercialisé par le titulaire.

1 feuille dessin

Claims

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1. Dispositif de navigation pour véhicule de surface, notamment pour véhicule terrestre, caractérisé par le fait qu'il comporte:

— une plate-forme (1) à deux cardans et présentant deux axes YY et ZZ perpendiculaires entre eux,

— un gyroscope (2) porté par le cœur (3) de cette plate-forme (1) et présentant deux axes de sensibilité (<oY, mz) respectivement parallèles ou coaxiaux aux deux axes YY et ZZ de la plate-forme (1), ledit gyroscope (2) stabilisant par asservissement les deux cardans de la plate-forme (1),

— des moyens de détection de la verticale (4) selon une direction (fY) parallèle ou coaxiale à l'axe YY de la plate-forme (1) et selon une direction (fx) parallèle à l'axe XX du moment cinétique du gyroscope (2),

— une unité de traitement (5) recevant des premiers signaux (S(jY, Sc.z) délivrés respectivement par les deux détecteurs de position relative de cardan (6Y, (>■£) disposés selon les deux axes YY et ZZ de la plate-forme (1) et des seconds signaux (S^, Sfy) délivrés par les moyens de détection de la verticale (4), cette unité de traitement (5) étant agencée pour calculer, à partir de ces premiers et seconds signaux (StjY, S,.)Z; Sjx, Sjy), et à partir d'un signal temps Sj représentant le temps mis par le véhicule pour parcourir une certaine distance, l'angle de dépointage (40 fait par l'axe de rotation (H) du gyroscope (2) et la direction nord,

ce grâce à quoi on peut, à partir des deux composantes de cet angle de dépointage (i), déterminer le cap du véhicule et, à partir d'un signal distance SD représentant cette distance et de l'évolution du cap, calculer la position du véhicule.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens de détection de la verticale (4) comportent une centrale accélérométrique portée par le cœur (3) de la plate-forme (1) et présentant deux axes de sensibilité (fY, fx).

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REVENDICATIONS

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la centrale accélérométrique comporte deux accéléromètres asservis à un axe de sensibilité, orientés chacun selon l'un des axes XX ou YY.

4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la centrale accélérométrique comporte un accéléromètre asservi à deux axes de sensibilité, orientés chacun selon l'un des axes XX ou YY.

5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens de détection de la verticale (4) comportent deux dispositifs à niveaux portés par le cœur (3) de la plate-forme et orientés suivant deux axes de sensibilité (fx, fY), l'un (fY) étant parallèle ou coaxial à l'axe Y Y de la plate-forme (1), et l'autre (fx) étant perpendiculaire à l'axe YY de la plate-forme (1).

6. Dispositif selon la revendication 1, spécialement agencé pour assurer uniquement la fonction conservateur du cap, caractérisé par le fait que les moyens de détection de la verticale (4) comportent un moyen interne automatique à un axe (4a) orienté suivant un axe de la plate-forme (1), et un moyen externe manuel à deux axes (4b) pour le nivellement manuel de l'autre axe de la plate-forme (1).

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que l'unité de traitement (5) est en outre agencée pour délivrer deux signaux de commande (SCY, Scz) agissant respectivement sur les deux moteurs couples de précession du gyroscope (2) qui agissent eux-mêmes selon les deux axes Y Y et ZZ de la plate-forme (1), de sorte que l'axe de rotation (H) du gyroscope (2) soit maintenu dans un plan horizontal.

8. Procédé de mise en action du dispositif établi suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par les étapes successives suivantes, le véhicule étant arrêté:

— on procède d'abord à une recherche préliminaire du nord en amenant l'axe de rotation du gyroscope à être coaxial, ou sensiblement coaxial, à la direction du nord, cette opération étant effectuée en commandant les moteurs couples d'asservissement des deux cardans de la plate-forme,

— on laisse le gyroscope en dérive libre, les cardans étant stabilisés,

— on calcule alors l'angle de dépointage fait par l'axe de rotation du gyroscope et la direction nord, et l'angle d'erreur de perpendicula-rité fait par l'axe de rotation du gyroscope et la pesanteur, et

— on en déduit le cap du véhicule arrêté, celui-ci pouvant alors être mis en route, le gyroscope étant ensuite uniquement exploité en conservateur de cap.