|
PRINCIPE D'UNE CENTRALE INERTIELLE |
|
|
CONTENU : Mis à jour décembre 2000, revu oct
2011 Matérialisation du repère absolu |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ce chapitre est une
application directe de tous les exposés de gyroscopie qui ont précédé.
Avec l'invention de
véhicules très spéciaux, comme les fusées et les capsules spatiales, les
sous-marins ou plus classiquement les avions, sans parler des besoins
spécifiques des militaires, il s'est imposé à l'homme la nécessité de mettre au
point des systèmes de navigation.
Que demande-t-on à un
navigateur classique?
De connaître pour ce qui concerne la trajectoire, la position, la
vitesse, l'accélération
De connaître l'attitude( orientation spatiale) du véhicule et les
vitesses angulaires instantanées autour d'axes liés au véhicule.
De toute évidence il n'a
pas fallu attendre le XXème siècle pour y parvenir, la preuve en est
apportée par toutes les expéditions maritimes ou terrestres de nos plus grands
aventuriers ou explorateurs.
Est-ce un problème de
précision?. Non, essentiellement une question de sécurité pour les applications
civiles et de discrétion pour les militaires.
Que demande-t-on à un
navigateur moderne?
Essentiellement de fournir
les informations précédentes sans références externes ou du moins le minimum
possible.
En effet :
Une capsule spatiale peut très bien se trouver derrière la lune et ne
plus voir la terre ou se trouver en alignement avec la Terre et le Soleil et
donc être dans l'impossibilité de communiquer avec la terre.
Un avion doit pouvoir voler sans visibilité.
Un avion militaire doit pouvoir pénétrer en territoire ennemi sans se
faire repérer et donc sans émettre ou recevoir quoi que ce soit.
Un sous marin est censé rester sous l'eau jusqu'à un mois, sans refaire
surface et sans se faire repérer. Etc...
Un navigateur moderne doit
donc pouvoir travailler en autonomie complète, sans références extérieures.
Ceci n'exclut nullement la présence de systèmes annexes utilisant des
références externes, pour des recalages, des confirmations et une sécurité
redondante.
Tout repose sur le PRINCIPE
DE RELATIVITE D'EINSTEIN-GALILEE qui indique que dans une capsule spatiale,
on est capable de mesurer dans un repère absolu Ra:
Le vecteur rotation instantanée
du véhicule.
Le vecteur force spécifique
f.
Dans un
premier temps nous traitons des principes de fonctionnement et dans un deuxième
des problèmes posés et des moyens pour y pallier.
1°) MATERIALISATION DU REPERE ABSOLU Ra :
a) Schéma de principe
: Nous avons déjà à maintes reprises résolu le problème, grâce à 2 ( 3 par
précaution ) gyros montés à la Poinsot, avec une suspension totalement isolée du véhicule, et pointant 3
directions stellaires choisies dans un catalogue d'étoiles.
En général ce groupe de
gyroscopes constitue le COEUR de la centrale inertielle, puisqu'il va servir de
référence pour les gyromètres et de référence pour stabiliser une plate forme.
Ce sont les 2 gyros ( gyro
1 et gyro 2 ) qui assurent le pointage des directions stellaires.
Les
moteurs couples MC1et MC2 commandent l'orientation de l'axe Za du gyro 1
Les
moteurs couples MC3et MC4 commandent l'orientation de l'axe Xa du gyro 2
NB 1: On aura remarqué que
ces gyros sont montés avec chacun 2 armatures dans le solide noir appelée plate
forme.
NB 2 : Sans entrer dans
trop de détails signalons que les axes gyros sont éventuellement reliés à des
axes de visée stellaire.
Nous avons donc
"mémorisé" un repère de directions absolues.
En cas de dérives des
gyros, des recalages sont prévus associés à des visées. Ces recalages
interviennent notamment chaque fois que des manœuvres importantes sont
envisagées.
2°) ALIGNEMENT ET INITIALISATION DE LA CENTRALE :
La deuxième opération
consiste à aligner la plate forme (P) sur les directions stellaires, ou encore
aligner les axes plate forme Xp,Yp,Zp sur les axes absolus.
|
ALIGNEMENT = |
|
A l'instant initial, cette
opération porte le nom d'INITIALISATION DE LA CENTRALE,
et à un instant quelconque on l'appellera ASSERVISSEMENT
DE LA PLATE FORME.
Tout repose sur une
rotation d'erreur détectée par des PICK OFF ( détecteurs d'écarts angulaires)
placés sur les articulations des axes en 1-2-3-4. Nous noterons PO1,...,PO4.
(P) se décale par rapport
aux gyros. On note dW la rotation de (P) par rapport à
Ra.
PO1 détecte da autour de Xp, PO2 db autour de Yp et PO3, dg autour de
Zp.
Les moteurs MO1, MO2, MO3,
commandés par une électronique adaptée, génèrent des rotations autour des 3
axes dy autour de Z1, dq autour de X2 et dj
autour de Y2.
La logique de l'asservissement
est fondée sur :
Le lecteur a l'occasion de
réviser ses connaissances sur les angles d'Euler, pour aboutir aux relations de
commande :
Les projections fournissent
sans problème les relations de correction.
NB 1: On retrouve toujours
la même singularité pour q=90° ou 270°, lors de l'alignement des axes Z1 et Y2 des 2
armatures de suspension de (P). La figure est réalisée avec q=0°, en position nominale.
NB 2 :
Le RESOLVER RS( en rouge sur la figure) est
chargé de réaliser la combinaison linéaire de da et dg.
NB3 : On peut imaginer et
c'est la tendance actuelle, une détection des écarts angulaires par des
gyromètres intégrateurs directement disposés sur la structure de (P), en
STRAPDOWN et mesurant les infimes écarts d'orientation de (P).
NB3 : La centrale décrite
est celle qui équipe le MIRAGE 2000, son nom UNI 52.
3°) NOTION DE PLATEFORME STABILISEE :
Nous venons de montrer
comment un solide (P) peut être immobilisé avec ses axes constamment alignés
sur ceux d'un repère absolu Ra. Un tel solide est appelé PLATEFORME
STABILISEE.
Dans la suite, nous la
dessinerons comme un parallélépipède rectangle, en oubliant tous les
équipements nécessaires à sa stabilisation. Nous ne nous occuperons plus que de
l'usage que l'on peut en faire.
Continuant sur ce même schéma
de centrale inertielle, montrons que la mesure de l'orientation et de la
vitesse angulaire est possible, grâce à des capteurs au niveau des
articulations.
La plateforme( en noir)
étant stabilisée en permanence, des capteurs angulaires ( potentiomètres en
rouge ) et des capteurs de vitesse angulaire ( génératrices tachymétriques en
noir), disposés sur les articulations des armatures deCardan ( en rose )
mesurent en continu les angles d'orientation y, q, j et leur vitesse angulaire.
Nous confirmons ainsi la
possibilité de mesurer notamment le vecteur rotation absolu du véhicule dans un
repère galiléen. Une des affirmations du principe d'Einstein-Galilée est donc
vérifiée.
La plateforme sert donc ici
de référence d'attitude.
1°) EQUIPEMENTS
NECESSAIRES:
Une plate forme (P) stabilisée
3 axes, surveillée par exemple par 3 gyromètres
Un boîtier accélérométrique
lié à la plate forme
Un calculateur en temps réel
Une mémoire logicielle de
calcul du champ de gravitation en tout point de l'espace
Les équipements d'affichage (
ce que nous ne traiterons pas )
2°) FONCTIONNEMENT DU
NAVIGATEUR :
Le diagramme
fonctionnel est le suivant :
Le cœur de la centrale
avec ses accéléromètres, mesure comme prévu non pas
l'accélération mais la force spécifique du véhicule. F désigne l'accélération vectorielle due
au champ de gravité régnant à la position vectorielle R du centre
d'inertie de l'engin en mouvement
C'est cette information qui
"attaque" le calculateur qui traite l'information comme le détaille
le schéma ci-dessous.
Le lecteur remarquera
l'importance de l'initialisation en position et vitesse e n début de calcul.
REMARQUE 1: le lecteur aura observé le bouclage
de contre réaction qui permet de retrouver l'accélération absolue, grâce au
calcul du champ de gravitation F de la
position. Ce calcul est du ressort d'un logiciel et d'une mémoire de la
position des astres massiques pris en compte.
REMARQUE 2: Peut-être le lecteur n'aura-t-il
pas réalisé qu'avant la première intégration, nous sommes au temps t et qu'à la
sortie des 2 intégrations, là où est initialisé le calcul du champ F, le temps est maintenant t+DT, c'est avec un pas de temps d'avance. Ce fait est
une cause d'erreurs divergentes sur tous les calculs d'altitude.
Par exemple pour un vol
horizontal, une centrale inertielle d'avion donnera d'excellents résultats en
latitude et longitude, mais l'altitude est beaucoup moins bonne d'autant plus
que le temps d'intégration est long.
En sortie de calculateur,
le véhicule connaît son accélération absolue, sa vitesse absolue, le rayon
vecteur de sa position dans un référentiel absolu. En somme tout ce qu'il faut
pour savoir où on est.
Le système portera le nom
de NAVIGATEUR INERTIEL, le
qualificatif d'inertiel provenant des propriétés du gyroscope et de sa grande
stabilité de pointage.
Rappelons ses qualités :
Discrétion
Autonomie totale
Insensibilité aux
brouillages, conditions météorologiques, environnement ( sauf peut-être
température)
Fonctionnement en
continu, en tout lieu
Insensible
pratiquement au comportement du véhicule porteur
Bruit de
fonctionnement inexistant ou très faible
Faible
encombrement comme le montre la photo ci-contre de la plateforme.
3°) ERREURS :.
Les gyroscopes sont soumis
à des dérives qui conduisent à un mésalignement des axes plate forme par
rapport au axes absolus. Les accéléromètres présentent des erreurs de linéarité
de seuil, de biais qui augmentent les erreurs de la centrale.
a) Pour les missions
spatiales, le problème est résolu en observant:
Qu'en
dehors des phases courtes de lancement, de corrections de trajectoire, de
maintenance d'orbite, les lois de la mécanique spatiale sont d'une extrême
précision et que les modèles de champ de gravitation sont aujourd'hui parfaits.
On n'a donc besoin du navigateur que durant les phases motorisées, soit pour
orienter le véhicule, soit pour un changement de vitesse.
Que les
dérives ont peu d'effet sur des temps courts. Or c'est le cas souligné
auparavant.
Que les
dérives a long terme qui pourraient affecter l'orientation de la plate forme
(P), peuvent être supprimées par un recalage juste avant une manœuvre
programmée.
Pour
des missions longue durée ou à grandes distances comme les missions
interplanétaires, une navigation stellaire permet d'actualiser la position et
la vitesse du véhicule, avant une manœuvre.
b) Pour les avions,
les vols sont de plus longue durée, du moins pour les avions civils, et un
recalage perment est effectué, nous n'en dirons pas plus.
De plus, en aéronautique la
centrale doit fournir une position relative à la Terre ( Latitude, Longitude, Altitude
), le calculateur doit donc mémoriser le mouvement de la Terre par rapport aux
étoiles ( surtout en rotation ) pour restituer par différence la position
relative.
De même le pilote d'un
avion a besoin de connaître les angles classiques particuliers que sont le
roulis, le tangage, le lacet.
C) CLASSE D'UN
NAVIGATEUR INERTIEL:
La grandeur de la dérive
limite la durée d'utilisation sans recalage. On distingue alors la qualité
technologique par le niveau de cette dérive :
Classe engins : 0.1 à
0.01°/h
Classe aéronautique : 0.01
à 0.001°/h
Classe Sous-Marins : 0.001
à 0.0001°/h
IV Où se renseigner:
a) ENTREPRISES :
Il faut citer la SAGEM ( Société d'Applications Générales d'Electricité et de Mécanique) dont les activités sont réparties en 3 domaines essentiels : http://www.sagem.com/fr/
NAVIGATION-GUIDAGE-PILOTAGE
TELEINFORMATIQUE
EQUIPEMENTS
INDUSTRIELS
La SAGEM est notamment
spécialisée dans les gyromètres, gyroscopes flottants, gyroscopes accordés,
gyroscopes à suspension électrostatique ( GSE), gyroscopes lasers, à fibres
optiques, vibrants.
Egalement THOMSON-CSF SEXTANT http://www.sextant-avionique.com/fr/
b) SPECIALISTE FRANCAIS
ET BIBLIOGRAPHIE:
Sans aucun doute, ses
nombreuses publications ses cours le démontrent, c'est JC
RADIX.
Citons comme publications :
Systèmes inertiels à
composants liés Cépaduès 1980 JC RADIX
Navigation par inertie
Dunod 1962 J CARPENTIER, JC RADIX, J BOUVET, G BONNEVALLE.
GUIZIOU Robert décembre 2000, sept 2011
Une version optimisée pour la mise en
page existe
Sous Word 97 CENTRALE.DOC