Transcript Centrale_inertielle_..
Centrale Inertielle
Merci à Olivier SITAL
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TD ARIANNE
SOMMAIRE
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1. Introduction 2. La centrale inertielle
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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
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3.1. Le gyrolaser
– –
3.2. Principe de fonctionnement 3.3. Affichage des données 4. Conclusion
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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 l'homme la spécifiques des militaires, il s'est imposé à 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 XX ème preuve en est siècle pour y parvenir, la 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.
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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.
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2. La centrale inertielle Constituants d’une centrale inertielle C A T E U R L C U L A PLATE-FORME STABILISEE GYROSCOPES ACCELEROMETRES CENTRALE INERTIELLE
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2.1
La toupie Nutation Y Précession
VECTEUR ROTATION TOUPIE AXE TOUPIE
X Toupie θ Y’ O X’
MOUVEMENT RESULTANT AXE TOUPIE FORCE APPLIQUEE 8
2.2
Le gyroscope
TOUPIE MOTEUR COUPLE DETECTEUR MOTEUR TOUPIE SUPPORT FIXE AXE TOUPIE SUSPENSION ELASTIQUE PALIER
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2.3
L’accéléromètre
Y X DETECTEUR AMPLI SERVOMOTEUR F AVION X 10
Accéléromètre à cordes vibrantes
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Accéléromètre à quartz
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2.4
La plate forme stabilisée « Rafale » SAGEM
AZIMUT TANGAGE MOTEUR COUPLE ROULIS INTERIEUR DETECTEUR D’ANGLE PLAT CARDAN ROULIS INTERIEUR MOTEUR COUPLE ROULIS EXTERIEUR
Az Gz Ax Gx, Gy Ay
MOTEUR COUPLE TANGUAGE
ROULIS AZIMUT TANGAGE COMMANDE MOTEUR COUPLE AXE Z COMMANDE MOTEUR COUPLE AXE X & Y
RESOLVER DE CHANGEMENT DE COORDONNEES MOTEUR COUPLE AZIMUT
ACCELERATION Z ACCELERATION Y ACCELERATION X
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Formation Ingénieur 2007-2008 centre de Bordeaux 14
Formation Ingénieur 2007-2008 centre de Bordeaux 15
LE BOUCLAGE DE SCHÜLER
A ω=V/R
Détect.
Mot. C
GYRO Accél.
x 1/R
+ + Vitesse Initiale Vitesse Mot. C CARDAN
PLATE-FORME
=
CALCULATEUR
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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 20
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
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3.
La centrale inertielle à gyrolaser
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LASER
3.1
Le gyrolaser
MIROIR AXE SENSIBLE MIROIR INTERFEROMETRE 25
Miroir M2
3.2
Principe de fonctionnement
Interféromètre Miroir M1 LASER 26
3.3
Affichage des données
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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 ?
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•
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 Ce aériens. La dérive de position est de l'ordre du mile marin à l'heure.
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 .
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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 proportionnelle interférence dont la fréquence est à la vitesse de rotation du triangle sur lui-même. En montant trois dispositifs de ce type selon un signaux, il devient possible de trièdre, et en traitant les déterminer tous les mouvements d'un avion selon ses trois axes comme avec un gyroscope ajoutant les mécanique. En accéléromètres et le traitement de leurs signaux, une centrale à inertie a été reconstituée.
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Équipementiers
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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/
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