Plates-formes gyrostabilisées à cardanEdit
Certains systèmes placent les accéléromètres linéaires sur une plate-forme gyrostabilisée à cardan. Les cardans sont un ensemble de trois anneaux, chacun avec une paire de roulements initialement à angle droit. Ils permettent à la plate-forme de tourner autour de n’importe quel axe de rotation (ou, plutôt, ils permettent à la plate-forme de conserver la même orientation pendant que le véhicule tourne autour d’elle). Il y a deux gyroscopes (généralement) sur la plate-forme.
Deux gyroscopes sont utilisés pour annuler la précession gyroscopique, la tendance d’un gyroscope à se tordre à angle droit par rapport à un couple d’entrée. En montant une paire de gyroscopes (de même inertie de rotation et tournant à la même vitesse dans des directions opposées) à angle droit, les précessions sont annulées et la plate-forme résistera à la torsion.
Ce système permet de mesurer les angles de roulis, de tangage et de lacet d’un véhicule directement au niveau des paliers des cardans. Des circuits électroniques relativement simples peuvent être utilisés pour additionner les accélérations linéaires, car les directions des accéléromètres linéaires ne changent pas.
Le gros inconvénient de ce schéma est qu’il utilise de nombreuses pièces mécaniques de précision coûteuses. Il comporte également des pièces mobiles qui peuvent s’user ou se bloquer et il est vulnérable au verrouillage du cardan. Le système de guidage primaire du vaisseau spatial Apollo utilisait une plateforme gyrostabilisée sur trois axes, fournissant des données à l’ordinateur de guidage Apollo. Les manœuvres devaient être soigneusement planifiées pour éviter le blocage du cardan.
Plateformes gyrostabilisées à suspension fluideEdit
Le blocage du cardan contraint les manœuvres et il serait bénéfique d’éliminer les bagues collectrices et les roulements des cardans. Par conséquent, certains systèmes utilisent des paliers fluides ou une chambre de flottaison pour monter une plateforme gyrostabilisée. Ces systèmes peuvent avoir des précisions très élevées (par exemple, la sphère de référence inertielle avancée). Comme toutes les plates-formes gyrostabilisées, ce système fonctionne bien avec des ordinateurs relativement lents et de faible puissance.
Les paliers fluides sont des tampons avec des trous à travers lesquels un gaz inerte sous pression (comme l’hélium) ou de l’huile appuie sur la coque sphérique de la plate-forme. Les paliers fluides sont très glissants et la plate-forme sphérique peut tourner librement. Il y a généralement quatre patins de roulement, montés dans une disposition tétraédrique pour soutenir la plate-forme.
Dans les systèmes haut de gamme, les capteurs angulaires sont généralement des bobines de transformateur spécialisées faites en bande sur une carte de circuit imprimé flexible. Plusieurs bandes de bobines sont montées sur de grands cercles autour de la coque sphérique de la plate-forme gyrostabilisée. L’électronique à l’extérieur de la plate-forme utilise des transformateurs similaires en forme de bande pour lire les champs magnétiques variables produits par les transformateurs enroulés autour de la plate-forme sphérique. Chaque fois qu’un champ magnétique change de forme, ou se déplace, il coupe les fils des bobines sur les bandes de transformateurs externes. La coupure génère un courant électrique dans les bobines externes en forme de bande et l’électronique peut mesurer ce courant pour en déduire des angles.
Les systèmes bon marché utilisent parfois des codes-barres pour détecter les orientations et utilisent des cellules solaires ou un seul transformateur pour alimenter la plate-forme. Certains petits missiles ont alimenté la plate-forme avec la lumière d’une fenêtre ou des fibres optiques vers le moteur. Un sujet de recherche consiste à suspendre la plate-forme avec la pression des gaz d’échappement. Les données sont renvoyées vers le monde extérieur via les transformateurs, ou parfois des LED communiquant avec des photodiodes externes.
Systèmes strapdownEdit
Les ordinateurs numériques légers permettent au système d’éliminer les cardans, créant des systèmes strapdown, ainsi appelés parce que leurs capteurs sont simplement attachés au véhicule. Cela réduit le coût, élimine le blocage du cardan, supprime la nécessité de certains étalonnages et augmente la fiabilité en éliminant certaines des pièces mobiles. Les capteurs de vitesse angulaire appelés gyroscopes de vitesse mesurent la vitesse angulaire du véhicule.
Un système strapdown a besoin d’une plage de mesure dynamique plusieurs centaines de fois supérieure à celle requise par un système à cardan. C’est-à-dire qu’il doit intégrer les changements d’attitude du véhicule en tangage, roulis et lacet, ainsi que les mouvements bruts. Les systèmes à cardan peuvent généralement se contenter de taux de mise à jour de 50 à 60 Hz. Cependant, les systèmes à sangles sont normalement mis à jour à environ 2000 Hz. Le taux plus élevé est nécessaire pour permettre au système de navigation d’intégrer le taux angulaire dans une attitude avec précision.
Les algorithmes de mise à jour des données (cosinus de direction ou quaternions) impliqués sont trop complexes pour être réalisés avec précision sauf par l’électronique numérique. Cependant, les ordinateurs numériques sont maintenant si peu coûteux et si rapides que les systèmes de gyroscope de vitesse peuvent maintenant être utilisés de manière pratique et produits en masse. Le module lunaire Apollo a utilisé un système strapdown dans son système de guidage d’avortement (AGS) de secours.
Les systèmes strapdown sont aujourd’hui couramment utilisés dans les applications commerciales et militaires (avions, navires, ROV, missiles, etc.). Les systèmes strapdown de pointe sont basés sur des gyroscopes à laser en anneau, des gyroscopes à fibre optique ou des gyroscopes à résonateur hémisphérique. Ils utilisent l’électronique numérique et des techniques de filtrage numérique avancées telles que le filtre de Kalman.
Alignement basé sur le mouvementEdit
L’orientation d’un système gyroscopique peut parfois aussi être déduite simplement de l’historique de sa position (par exemple, GPS). C’est notamment le cas pour les avions et les voitures, où le vecteur vitesse implique généralement l’orientation du corps du véhicule.
Par exemple, l’alignement en mouvement de Honeywell est un processus d’initialisation où l’initialisation se produit pendant que l’avion se déplace, en l’air ou au sol. Ceci est réalisé à l’aide du GPS et d’un test de vraisemblance inertielle, permettant ainsi de répondre aux exigences commerciales en matière d’intégrité des données. Ce processus a été certifié par la FAA pour récupérer des performances INS pures équivalentes aux procédures d’alignement stationnaire pour des durées de vol civil allant jusqu’à 18 heures.Il évite le besoin de batteries de gyroscope sur les avions.
Gyros vibrantsEdit
Les systèmes de navigation moins coûteux, destinés à être utilisés dans les automobiles, peuvent utiliser un gyroscope à structure vibrante pour détecter les changements de cap et le capteur odométrique pour mesurer la distance parcourue le long de la voie du véhicule. Ce type de système est beaucoup moins précis qu’un INS haut de gamme, mais il est adéquat pour l’application automobile typique où le GPS est le système de navigation principal et où la navigation à l’estime n’est nécessaire que pour combler les lacunes de la couverture GPS lorsque des bâtiments ou le terrain bloquent les signaux satellites.
Gyros à résonateur hémisphérique (gyroscope à verre à vin ou à champignon)Edit
Si une onde stationnaire est induite dans une structure résonante hémisphérique, puis que la structure résonante est mise en rotation, l’onde stationnaire harmonique sphérique tourne d’un angle différent de la structure résonante en quartz en raison de la force de Coriolis. Le mouvement du boîtier extérieur par rapport à l’onde stationnaire est proportionnel à l’angle de rotation total et peut être détecté par une électronique appropriée. Les résonateurs du système sont usinés dans du quartz fondu en raison de ses excellentes propriétés mécaniques. Les électrodes qui pilotent et détectent les ondes stationnaires sont déposées directement sur des structures de quartz séparées qui entourent le résonateur. Ces gyroscopes peuvent fonctionner soit en mode angle entier (ce qui leur donne une capacité de vitesse presque illimitée), soit en mode rééquilibrage de force qui maintient l’onde stationnaire dans une orientation fixe par rapport au boîtier du gyroscope (ce qui leur donne une bien meilleure précision).
Ce système ne comporte presque aucune pièce mobile et est très précis. Cependant, il reste relativement coûteux en raison du coût des hémisphères de quartz creux rectifiés et polis avec précision. Northrop Grumman fabrique actuellement des IMU (unités de mesure inertielle) pour les engins spatiaux qui utilisent des HRG. Ces IMU ont fait preuve d’une très grande fiabilité depuis leur première utilisation en 1996. Safran fabrique un grand nombre de systèmes inertiels basés sur les HRG et dédiés à une large gamme d’applications.
Capteurs de vitesse à quartzEdit
Ces produits comprennent des ‘gyros à diapason’. Ici, le gyroscope est conçu comme un diapason à commande électronique, souvent fabriqué à partir d’une seule pièce de quartz ou de silicium. De tels gyroscopes fonctionnent conformément à la théorie dynamique selon laquelle lorsqu’un taux d’angle est appliqué à un corps en translation, une force de Coriolis est générée.
Ce système est généralement intégré sur une puce de silicium. Il comporte deux diapasons en quartz équilibrés en masse, disposés « manche à manche » de façon à ce que les forces s’annulent. Des électrodes d’aluminium évaporées sur les diapasons et la puce sous-jacente entraînent et détectent le mouvement. Ce système est à la fois manufacturable et peu coûteux. Comme le quartz est dimensionnellement stable, le système peut être précis.
Lorsque les fourches sont tournées autour de l’axe du manche, la vibration des dents a tendance à continuer dans le même plan de mouvement. Ce mouvement doit être contré par les forces électrostatiques des électrodes situées sous les dents. En mesurant la différence de capacité entre les deux dents d’une fourchette, le système peut déterminer la vitesse du mouvement angulaire.
L’état actuel de la technologie non militaire de pointe (en 2005) permet de construire de petits capteurs à semi-conducteurs qui peuvent mesurer les mouvements du corps humain. Ces dispositifs n’ont pas de pièces mobiles et pèsent environ 50 grammes (2 onces).
Des dispositifs à semi-conducteurs utilisant les mêmes principes physiques sont utilisés pour la stabilisation de l’image dans les petits appareils photo ou caméscopes. Ils peuvent être extrêmement petits, environ 5 millimètres (0,20 pouce) et sont construits avec des technologies de systèmes microélectromécaniques (MEMS).
Capteur MHDModifié
Les capteurs basés sur les principes magnétohydrodynamiques peuvent être utilisés pour mesurer les vitesses angulaires.
Gyroscope MEMSEdit
Les gyroscopes MEMS s’appuient généralement sur l’effet Coriolis pour mesurer la vitesse angulaire. Il est constitué d’une masse étalon résonante montée dans du silicium. Le gyroscope est, contrairement à un accéléromètre, un capteur actif. La masse étalon est poussée d’avant en arrière par des peignes moteurs. Une rotation du gyroscope génère une force de Coriolis qui agit sur la masse et entraîne un mouvement dans une autre direction. Le mouvement dans cette direction est mesuré par des électrodes et représente la vitesse de rotation.
Gyroscopes à laser en anneau (RLG)Edit
Un gyroscope à laser en anneau divise un faisceau de lumière laser en deux faisceaux dans des directions opposées à travers des tunnels étroits dans un chemin optique circulaire fermé autour du périmètre d’un bloc triangulaire de verre Cervit stable en température avec des miroirs réfléchissants placés dans chaque coin. Lorsque le gyroscope tourne à une certaine vitesse angulaire, la distance parcourue par chaque faisceau devient différente – le chemin le plus court étant opposé à la rotation. Le déphasage entre les deux faisceaux peut être mesuré par un interféromètre et est proportionnel au taux de rotation (effet Sagnac).
En pratique, à de faibles taux de rotation, la fréquence de sortie peut tomber à zéro en raison de la rétrodiffusion provoquant la synchronisation et le verrouillage des faisceaux. Ce phénomène est connu sous le nom de lock-in, ou laser-lock. Le résultat est qu’il n’y a pas de changement dans le motif d’interférence et donc pas de changement de mesure.
Pour débloquer les faisceaux lumineux contrarotatifs, les gyroscopes laser ont soit des chemins lumineux indépendants pour les deux directions (généralement dans les gyroscopes à fibre optique), soit le gyroscope laser est monté sur un moteur piézo-électrique de tremblement qui fait vibrer rapidement l’anneau laser d’avant en arrière autour de son axe d’entrée à travers la région de verrouillage pour découpler les ondes lumineuses.
Le trembleur est le plus précis, car les deux faisceaux lumineux utilisent exactement le même chemin. Ainsi, les gyroscopes laser conservent des pièces mobiles, mais ils ne se déplacent pas aussi loin.
Gyroscopes à fibre optique (FOG)
Une variation plus récente du gyroscope optique, le gyroscope à fibre optique, utilise un laser externe et deux faisceaux allant dans des directions opposées (se propageant en sens inverse) dans de longues bobines (plusieurs kilomètres) de filament de fibre optique, la différence de phase des deux faisceaux étant comparée après leur parcours dans les bobines de fibre.
Le mécanisme de base, la lumière laser monochromatique voyageant dans des chemins opposés et l’effet Sagnac, est le même dans un FOG et un RLG, mais les détails d’ingénierie sont substantiellement différents dans le FOG par rapport aux gyros laser antérieurs.
Un enroulement précis de la bobine de fibre optique est nécessaire pour assurer que les chemins pris par la lumière dans des directions opposées sont aussi similaires que possible. Le FOG nécessite des calibrations plus complexes qu’un gyroscope à anneau laser, ce qui rend le développement et la fabrication des FOG plus difficiles techniquement que pour un RLG. Cependant, les FOG ne souffrent pas de verrouillage laser à basse vitesse et n’ont pas besoin de contenir de pièces mobiles, ce qui augmente la précision potentielle maximale et la durée de vie d’un FOG par rapport à un RLG équivalent.
Accéléromètres pendulairesEdit
L’accéléromètre de base, à boucle ouverte, est constitué d’une masse attachée à un ressort. La masse est contrainte de se déplacer uniquement dans l’axe du ressort. L’accélération provoque la déviation de la masse et la distance de décalage est mesurée. L’accélération est dérivée des valeurs de la distance de déviation, de la masse et de la constante du ressort. Un accéléromètre en boucle fermée atteint des performances plus élevées en utilisant une boucle de rétroaction pour annuler la déviation, ce qui maintient la masse presque immobile. Chaque fois que la masse dévie, la boucle de rétroaction fait en sorte qu’une bobine électrique applique une force négative égale sur la masse, annulant ainsi le mouvement. L’accélération est dérivée de la quantité de force négative appliquée. Comme la masse se déplace à peine, les effets des non-linéarités du système de ressort et d’amortissement sont grandement réduits. En outre, cet accéléromètre permet d’augmenter la largeur de bande au-delà de la fréquence naturelle de l’élément de détection.
Ces deux types d’accéléromètres ont été fabriqués sous forme de micro-machines intégrées sur des puces en silicium.
Capteurs TIMU (Timing & Inertial Measurement Unit)Edit
Le département Microsystems Technology Office (MTO) du Darpa travaille sur un programme Micro-PNT (Micro-Technology for Positioning, Navigation and Timing) pour concevoir des puces Timing & Inertial Measurement Unit (TIMU) qui font du suivi de position absolue sur une seule puce sans navigation assistée par GPS.
Micro-PNT ajoute une horloge de synchronisation maître très précise intégrée dans une puce IMU (unité de mesure inertielle), ce qui en fait une puce Timing & Inertial Measurement Unit. Une puce TIMU intègre un gyroscope à 3 axes, un accéléromètre à 3 axes et un magnétomètre à 3 axes ainsi qu’une horloge maîtresse de synchronisation très précise, de sorte qu’elle peut mesurer simultanément le mouvement suivi et le combiner avec le chronométrage de l’horloge synchronisée.