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Centrale_inertielle_..

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Centrale Inertielle
Merci à Olivier SITAL
1
TD ARIANNE
SOMMAIRE
• 1. Introduction
• 2. La centrale inertielle
–
–
–
–
–
–
–
–
2.1. La toupie
2.2. Le gyroscope
2.3. L’’accéléromètre
2.4. La plateforme stabilisée
2.5. La centrale inertielle
2.6. Les alignements
2.7. La navigation
2.8. Origine des erreurs
• 3. La centrale inertielle à gyro laser
– 3.1. Le gyrolaser
– 3.2. Principe de fonctionnement
– 3.3. Affichage des données
• 4. Conclusion
3
1. Introduction:
V ème siècle
1852
1938
1969
1980
Terre
4
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.
5
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.
6
2. La centrale inertielle
Constituants d’une centrale inertielle
C
A
L
C
U
L
A
T
E
U
R
PLATE-FORME
STABILISEE
GYROSCOPES
ACCELEROMETRES
CENTRALE INERTIELLE
7
2.1
La toupie
Nutation
Y
Précession
VECTEUR
ROTATION
TOUPIE
X
AXE TOUPIE
Toupie
θ
Y’
O
X’
AXE TOUPIE
MOUVEMENT
RESULTANT
FORCE APPLIQUEE
8
2.2
Le gyroscope
TOUPIE
MOTEUR
COUPLE
AXE TOUPIE
DETECTEUR
SUSPENSION
ELASTIQUE
MOTEUR
TOUPIE
PALIER
SUPPORT FIXE
9
2.3
L’accéléromètre
Y
X
DETECTEUR
AMPLI
X
SERVOMOTEUR
F
AVION
10
Accéléromètre à cordes vibrantes
11
Accéléromètre à quartz
12
2.4
La plate-forme stabilisée « Rafale » SAGEM
AZIMUT
MOTEUR COUPLE
ROULIS
INTERIEUR
TANGAGE
Az
DETECTEUR
D’ANGLE PLAT
CARDAN ROULIS
INTERIEUR
MOTEUR COUPLE
ROULIS
EXTERIEUR
Gz
Ay
Ax
Gx, Gy
ROULIS
AZIMUT
TANGAGE
COMMANDE MOTEUR COUPLE AXE Z
COMMANDE MOTEUR COUPLE AXE X & Y
MOTEUR COUPLE
TANGUAGE
MOTEUR COUPLE
AZIMUT
RESOLVER DE
CHANGEMENT DE
COORDONNEES
ACCELERATION Z
ACCELERATION Y
ACCELERATION X
13
Formation Ingénieur 2007-2008
centre de Bordeaux
14
Formation Ingénieur 2007-2008
centre de Bordeaux
15
LE BOUCLAGE DE SCHÜLER
ω=V/R
A
Détect.
x 1/R
Mot. C
Vitesse
GYRO
Accél.
+
+
Vitesse
Initiale
Mot. C
CARDAN
PLATE-FORME
CALCULATEUR
=
16
2.5
La centrale inertielle
• Combinaison d’une plate-forme stabilisée (gyroscopes,
accéléromètres) et d’un calculateur.
• Erreurs dues à la rotation terrestre : ω=15°/h; α=cap
– ωt.cos(Lat).cos(α) sur Gx
– ωt.cos(Lat).sin(α) sur Gy
– ωt.sin(Lat) sur Gz
• Erreurs dues au déplacement avion terre :
– Vy/R sur Gx
– Vx/R sur Gy
17
2.6
Les alignements
• L’alignement normal
• L’alignement rapide
• L’alignement sur cap mémorisé
• Les séquences élémentaires :
– L’initialisation ou le pré alignement
– Une recherche de verticale
– Une recherche de nord
– Une estimation de dérive
18
2.7
La navigation
• Maintient de la plateforme horizontale par rapport a la terre quels
que soient les mouvements de l'avion.
• Calcul des paramètres de navigation en temps réel: Longitude,
latitude, altitude, vitesses, accélérations, roulis, tangage, cap…
• Transmission sous forme digitales (DIGIBUS, ARINC) ou
analogique (synchro. attitudes)
19
2.8
Les erreurs inertielles
• Les erreurs bornées dans le temps:
– Erreur initiale de position
– Erreur initiale de vitesse
– Erreur de verticale et de biais accéléromètrique
– Erreur de facteur d’échelle d’accéléromètre
• Les erreurs augmentant avec le temps:
– Erreur de dérive gyroscopique
– Erreur de facteur d’échelle gyroscopique
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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
21
22
3. La centrale inertielle à gyrolaser
23
24
3.1
Le gyrolaser
MIROIR
AXE
SENSIBLE
LASER
MIROIR
INTERFEROMETRE
25
3.2
Principe de fonctionnement
Interféromètre
Miroir M2
Miroir M1
LASER
26
3.3
Affichage des données
27
CONCLUSION
• Centrale inertielle à plateforme stabilisée (gyroscope accordé)
• Centrale inertielle à gyro laser
• Hybridation GPS 
accroissement de précision par recalage:
– Vols longs courriers (distance franchissable > 8000 Nm)
– Armements (missiles de croisière, bombe guidées)
28
QUESTIONS ?
29
Centrale à inertie
Inertial Navigation System
•
La centrale à inertie (en anglais Inertial Navigation System, INS) est
composée de 3 gyroscopes à 3 degrés de liberté et d'un trièdre
d'accéléromètres. Après une phase de stabilisation, tous les mouvements de
l'avion autour de la position de référence sont connus. Elle remplace donc
l'horizon artificiel et le gyro directionnel. Par intégration des signaux des
accéléromètres, les vitesses de l'avion selon les trois axes sont calculées dans
le référentiel terrestre. La position de l'avion est ainsi calculée toujours dans le
référentiel terrestre, faisant ainsi abstraction des mouvements dus aux
courants aériens. La dérive de position est de l'ordre du mile marin à l'heure.
Ce système est donc insuffisant pour déterminer l'altitude avec une précision
suffisante. Pour corriger les défauts, il existe plusieurs méthodes dont le
couplage barométrique ou encore le couplage avec un GPS. Les avions de
ligne devant franchir les océans en empruntant les espaces MNPS sont
équipés de trois centrales de ce type. On trouve deux types de centrale, celles
qui sont équipées de gyroscopes mécaniques ou les plus modernes qui sont
équipées de gyrolasers.
30
Gyrolaser
• Un gyrolaser est composé d'un circuit de lumière parcourant un triangle
équilatéral. La source de lumière est appliquée au milieu de la base du
triangle, ou elle est séparée en deux faisceaux vers les deux angles
inférieurs du triangle où sont placés deux miroirs qui redirigent les deux
faisceaux de lumière vers le troisième sommet. Si le triangle est animé
d'un mouvement de rotation dans son plan, les vitesses de propagation
des deux branches de lumière ne sont plus identiques. Une
interférence est alors observable au sommet du triangle. Un détecteur
peut alors compter les raies de cette interférence dont la fréquence est
proportionnelle à la vitesse de rotation du triangle sur lui-même. En
montant trois dispositifs de ce type selon un trièdre, et en traitant les
signaux, il devient possible de déterminer tous les mouvements d'un
avion selon ses trois axes comme avec un gyroscope mécanique. En
ajoutant les accéléromètres et le traitement de leurs signaux, une
centrale à inertie a été reconstituée.
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Équipementiers
•
•
•
•
•
•
•
http://www.bendixking.com/
http://www.garmin.com/aviation/
http://www.thalesgroup.com/aerospace/home/
http://www.rockwellcollins.com/
http://www.avidyne.com/
http://www.smiths-aerospace.com/
http://www.nsd.es.northropgrumman.com/
32
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