UTILISE EN MODE STATIQUE

DOMAINE DE L'INVENTION

Le domaine de l'invention est celui des équipements inertiels utilisés pour l'orientation de systèmes mobiles, dont font partie les centrales inertielles de navigation.

L'invention concerne la calibration autonome d'un tel équipement inertiel, appelé également auto-calibration.

ETAT DE LA TECHNIQUE

Les centrales inertielles de navigation servent notamment à la localisation et à l'orientation de véhicules terrestres. A cet égard, elles sont constituées, entre autres, d'un châssis fixé au système utilisateur, d'un calculateur, de mémoire et d'un cœur inertiel monté rigidement (« strap-down ») par rapport au châssis. Le cœur inertiel comporte des capteurs inertiels tels que des accéléromètres et des gyroscopes (ou gyromètres que l'on assimilera à des gyroscopes dans la suite), qui permettent de définir des axes d'un référentiel senseur.

Les gyroscopes mesurent les rotations angulaires du cœur selon les trois axes du référentiel senseur.

Les accéléromètres mesurent les forces spécifiques du cœur selon les trois axes du référentiel senseur.

Dans la phase d'alignement dite « gyrocompas », les accéléromètres permettent de déterminer le plan horizontal en déterminant la direction du vecteur gravité (détermination du roulis et du tangage), et les gyroscopes permettent de déterminer l'orientation du référentiel senseur par rapport au nord (détermination du cap) en mesurant la rotation terrestre.

Au-delà de cette phase, les mesures des gyroscopes permettent de conserver l'orientation d'un repère de calcul dans lequel sont projetées et intégrées les mesures des accéléromètres permettant ainsi d'obtenir la vitesse et la variation de position. La précision d'une centrale inertielle de navigation dépend de la précision des capteurs inertiels et de la précision de leur projection dans le repère d'intégration, cette dernière étant également dépendante de la précision des capteurs inertiels.

La précision des gyroscopes peut être affectée par des erreurs de dérive dues au vieillissement de ceux-ci. Une erreur de dérive d'un gyroscope est un décalage à l'origine de la mesure, impliquant qu'une grandeur nulle (en l'espèce une rotation nulle) ne soit pas mesurée à zéro.

Les centrales inertielles installées dans différents systèmes, en particulier des véhicules terrestres, sont fréquemment utilisées lors de missions courtes, de l'ordre de quelques heures, comportant des déplacements et changements de l'orientation ressentie.

Au cours de ces missions, les changements fréquents d'orientations permettent, avec l'apport d'observation externes, de décorréler les erreurs de dérive des gyroscopes des informations qu'ils délivrent, et donc de pouvoir corriger ces informations.

Cependant, les centrales inertielles sont également utilisées en tant que gyrocompas permanent, c'est-à-dire d'outils permettant de déterminer le plan horizontal (roulis et tangage du système) et l'axe du Nord géographique (cap du système) au cours de missions plus longues, de l'ordre de quelques jours à quelques mois en s'appuyant sur des informations externes de vitesse ou de position. Si les systèmes, et donc les centrales inertielles, sont quasi-statiques lors de ces missions longue durée les très faibles déplacements et variations d'orientation auxquels ils sont soumis ne permettent pas de décorréler les erreurs de dérive des gyroscopes des informations qu'ils délivrent. Ce cadre d'emploi peut être, en particulier, rencontré sur des équipements terrestres.

D'autres équipements inertiels, plus simples qu'une centrale inertielle, sont également capables de fournir le cap dans un cas statique. C'est le cas d'un équipement muni uniquement de 2 accéléromètres (ou inclinomètres) et 3 gyroscopes ou plus simplement un équipement avec deux gyroscopes et un système de positionnement de ces gyroscopes dans le plan horizontal.

On connaît du document US2012/0259572 un procédé de correction d'erreurs de dérive d'un gyroscope à partir de mesures, à deux moments d'utilisation distincts du gyroscope, du vecteur du champ magnétique terrestre. Cependant ce document ne permet pas d'exploiter l'estimation d'erreurs de dérive sur l'orientation d'un équipement inertiel par rapport au Nord géographique pour déterminer l'erreur de dérive du référentiel senseur.

PRESENTATION DE L'INVENTION

L'invention a pour but de pallier le manque précité.

En particulier, l'invention a pour but de proposer un procédé de calibration autonome d'un équipement inertiel pour compenser des erreurs de dérive liées aux capteurs de l'équipement.

L'invention a également pour but de proposer un équipement inertiel présentant une précision accrue sur la précision de cap délivré et de longue durée par rapport à l'art antérieur.

A cet égard, l'invention propose selon un premier aspect un procédé de calibration d'un équipement inertiel comprenant un cœur inertiel formant un référentiel senseur, ledit coeur comportant au moins deux gyroscopes,

le procédé étant mis en œuvre au cours d'au moins deux missions successives de l'équipement inertiel, chaque mission comprenant la détermination, à partir de mesures des gyroscopes, de l'orientation de l'équipement dans un référentiel géographique comprenant l'axe du Nord et l'axe de la verticale, les positions relatives du référentiel senseur et du référentiel géographique étant différentes d'une mission à l'autre,

le procédé étant caractérisé par la mise en œuvre:

au cours d'une mission de l'équipement, d'une estimation d'erreurs de dérive des gyroscopes sur l'orientation de l'équipement au moins par rapport à l'axe du Nord, et

au cours d'une mission suivante, d'un calcul de corrections d'erreurs de dérive du référentiel senseur, à partir des erreurs de dérive estimées sur l'orientation de l'équipement, et

- d'un calcul d'erreurs de dérive du référentiel senseur consistant à corriger, à l'aide desdites corrections d'erreurs de dérive du référentiel senseur, les erreurs de dérive du référentiel senseur ayant été calculées lors de la mission précédente. L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible :

l'équipement inertiel est une centrale inertielle dont le cœur inertiel comprend trois accéléromètres et trois gyroscopes, l'étape d'estimation d'erreurs de dérive des gyroscopes comprenant en outre l'estimation d'erreurs de dérive des gyroscopes par rapport à l'axe de la verticale, le calcul de corrections d'erreurs de dérive du référentiel senseur est réalisé au moyen d'un filtre de Kalman.

- l'estimation des erreurs de dérive des gyroscopes est mise en œuvre à une fréquence prédéterminée, et le calcul des corrections d'erreurs de dérive est mis en œuvre à partir d'estimations d'erreurs de dérive moyennées.

Le procédé comprend en outre, préalablement à chaque étape de calcul d'erreurs de dérive du référentiel senseur, la détermination de l'écart-type des corrections d'erreurs de dérive du référentiel senseur pour chaque axe du référentiel senseur, et le calcul d'erreurs de dérive du référentiel senseur pour un axe est mis en œuvre si l'écart-type de la correction d'erreurs de dérive de l'axe correspondant est inférieur à un seuil prédéterminé.

- Au cours du procédé, on mémorise la date de chaque session d'utilisation de l'équipement inertiel, le calcul de correction d'erreurs de dérive du référentiel senseur tenant compte de l'évolution temporelle des erreurs de dérive du référentiel senseur selon une loi de vieillissement associé aux gyroscopes, la détermination de l'orientation de l'équipement inertiel dans le référentiel géographique à partir des mesures des gyroscopes et l'estimation d'erreurs de dérive des gyroscopes sur ladite orientation sont réalisées au moyen d'un filtre de Kalman.

L'invention concerne également un produit programme d'ordinateur comprenant des instructions de code pour la mise en œuvre du procédé d'auto- calibration qui précède lorsque celui-ci est mis en œuvre par un calculateur (30).

L'invention concerne en outre un équipement inertiel comprenant un cœur inertiel formant un référentiel senseur, ledit cœur inertiel comprenant au moins deux gyroscopes, une mémoire, et un calculateur, l'équipement inertiel étant caractérisé en ce que le calculateur est configuré pour mettre en œuvre le procédé d'auto- calibration décrit précédemment.

Avantageusement, mais facultativement, l'équipement inertiel est une centrale inertielle dont le cœur inertiel comprend trois accéléromètres et trois gyroscopes.

L'invention concerne enfin un système de traitement, comprenant un équipement inertiel comprenant un cœur inertiel formant un référentiel senseur, ledit coeur comprenant au moins deux gyroscopes, ledit système comprenant en outre une mémoire et un calculateur, adaptés pour communiquer à distance avec l'équipement inertiel, le système étant caractérisé en ce que le calculateur est configuré pour mettre en œuvre le procédé d'auto-calibration qui précède.

PRESENTATION DES FIGURES

D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :

La figure 1 représente schématiquement un équipement inertiel selon l'invention.

La figure 2 représente un exemple de positions relatives du référentiel senseur de gyroscopes d'un équipement inertiel et du référentiel géographique,

La figure 3 représente les principales étapes du procédé selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE MISE EN ŒUVRE

On a représenté en figure 1 un équipement inertiel 1 , avantageusement une centrale inertielle, utilisé pour la localisation et l'orientation d'un système sur lequel il est placé. Un tel équipement inertiel comprend un cœur inertiel 10, solidaire d'un châssis 20 destiné à être fixé à un système, par exemple un véhicule, dans lequel est embarqué l'équipement.

Le cœur inertiel 10 est défini par trois axes X, Y, et Z orthogonaux formant le référentiel senseur, et comporte au moins deux gyroscopes 1 1 , et de préférence, dans le cas d'une centrale inertielle, trois gyroscopes 1 1 aptes à mesurer des rotations autour des axes X, Y, et Z du cœur de la centrale par rapport à un repère inertiel fixe arbitraire (Χ,, Υ,, Z), ainsi qu'au moins deux accéléromètres 12, et de préférence trois accéléromètres 12 pour mesurer les forces spécifiques ressenties par le cœur selon les trois axes X, Y, Z, du repère inertiel fixe.

Un équipement inertiel 1 comportant trois gyroscopes 1 1 peut également, à défaut de comporter trois accéléromètres, comporter deux accéléromètres ou tout autre dispositif permettant de déterminer l'orientation des axes des gyroscopes par rapport à la verticale.

Dans le cas d'un équipement inertiel 1 comprenant deux gyroscopes 1 1 seulement, ledit équipement comporte en plus un dispositif de positionnement de ces derniers dans le plan horizontal.

Ainsi les différents types d'équipements inertiels sont les suivants :

Une centrale inertielle comprenant trois gyroscopes et trois accéléromètres ou inclinomètres, ou

- Un équipement inertiel comprenant trois gyroscopes et deux accéléromètres ou tout autre dispositif permettant de déterminer l'orientation des axes des gyroscopes par rapport à la verticale, ou encore

Un équipement inertiel comprenant deux gyroscopes et un dispositif de positionnement des gyroscopes dans le plan horizontal.

Un calculateur 30, pouvant faire partie de l'équipement inertiel 1 (comme représenté sur la figure 1 ), ou alternativement étant une unité de traitement située à distance dudit équipement et étant pourvue de moyens de communication avec ledit équipement, reçoit les résultats des mesures des capteurs et, à partir de ces résultats, détermine une orientation de l'équipement dans un référentiel géographique. Ce traitement des données est connu en soi et déjà implémenté dans de nombreux équipements inertiels.

Une mémoire 40 est également prévue pour enregistrer des données de calcul du calculateur 30, notamment d'une mission à une autre.

On a représenté en figure 2 un exemple de configuration relative entre le référentiel senseur des gyroscopes de l'équipement et le référentiel géographique, qui comprend l'axe de la verticale Up, l'axe du Nord N, et l'axe de l'Est E. Le vieillissement des gyroscopes entraine des erreurs dans les mesures des rotations de l'équipement inertiel, qui impactent directement les données sur l'orientation dudit équipement, en générant un décalage entre l'orientation par rapport au Nord (Cap) calculée à partir des mesures des capteurs et l'orientation réelle de l'équipement.

En particulier, les erreurs de dérives des gyroscopes des axes X, Y et Z du référentiel senseur résultent en des dérives dans les axes du repère géographique Up (dgyrUp), Nord (dgyrN) et Est (dgyrE), qui sont liées avec certaines erreurs d'orientation et de positionnement de l'équipement inertiel lors de la phase de gyrocompas selon les relations suivantes (équations au signe près selon les conventions) :

dgyrE « ErrCap * Ω£ * cos (Lai)

dgyrN « ErrLat * Ω£ * sin (Lai)

dgyrUp « ErrLat * Ω£ * cos (Lai)

Avec

• Qt : valeur de rotation terrestre

• Lat : latitude de l'équipement inertiel 1 ,

· ErrCap : erreur de cap de l'équipement,

• ErrLat : erreur de latitude de l'équipement.

L'erreur de latitude peut être éliminée en fournissant la position de l'équipement, ce qui permet de rendre observable les dérives dans les axes Nord et, après un temps d'observation plus important, Up (hypothèse faite dans le cas présent).

Cependant, si les axes du référentiel senseur ne sont pas alignés avec les axes du référentiel géographique, il n'est pas possible de distinguer les différentes dérives senseurs entre elles.

De ce fait, conformément au procédé présenté en figure 3, on exploite les données d'orientation générées au cours de différentes missions M _n , M _n+1 de l'équipement inertiel. On appelle mission la phase statique pendant laquelle un alignement de type gyrocompas est réalisé.

On suppose que l'orientation de l'équipement inertiel diffère entre des missions, notamment lors de deux missions pour lesquelles les positions relatives du référentiel senseur par rapport au référentiel géographique sont différentes. En relevant les dérives par rapport à l'axe Nord et par rapport à l'axe Up au cours de missions distinctes (au minimum deux), on peut en déduire les dérives de chacun des gyroscopes (dans les axes X, Y, et Z) et les corriger afin d'améliorer la précision de Cap fournie par l'équipement inertiel.

Pour ce faire, on va maintenant décrire les différentes étapes du procédé d'auto-calibration selon l'invention, qui comprend la mise en œuvre d'un filtre d'auto- calibration des erreurs de dérive des gyroscopes décrit ci-après par le calculateur 30. A cet égard, le calculateur 30 peut exécuter un programme comprenant des instructions de code permettant la mise en œuvre de ce procédé.

Ce procédé est mis en œuvre au cours d'au moins deux missions M _n , M _n+1 distinctes de l'équipement ou de la centrale, au cours desquelles le calculateur détermine une orientation de l'équipement ou la centrale à partir de données acquises par les senseurs. Les positions relatives du référentiel senseur et du référentiel géographique varient entre M _n et M _n+1 .

Au cours de chaque mission M _n , une étape 100 consiste à acquérir les données senseurs, notamment des gyroscopes, et leur appliquer non seulement une correction issue de données mémorisées et identifiées en usine, mais également issue des valeurs d'autocalibration identifiées au cours d'une mission précédente M _n-1 par la méthode décrite ci-après.

Au cours d'une étape 200, les données senseurs corrigées de l'étape 100 sont utilisées pour réaliser une fonction gyrocompas utilisant un filtrage mis en œuvre par le calculateur, avantageusement un filtre de KALMAN.

Ce filtre de KALMAN estime l'orientation de la Centrale Inertielle (Cap, Roulis et Tangage), une erreur de dérive des gyroscopes autour de l'axe du nord N dgyrN, une erreur de dérive des gyroscopes autour de l'axe de la verticale Up dgyrUp, ainsi que les écarts-types o _d gyrN et Odg _yr u des erreurs de dérive des gyroscopes respectivement par rapport au Nord et par rapport à la verticale.

Ces deux étapes 100 et 200 sont couramment réalisées par une centrale inertielle 1 . Dans le cas d'un équipement inertiel, ces étapes 100 et 200 sont également réalisées, à l'exception près que l'erreur de dérive par rapport à la verticale et l'écart-type correspondant ne sont pas calculés.

Le calculateur déduit de ces informations, au cours d'une sous-étape 300, dans le cas d'une centrale inertielle, un vecteur d'observation Y _n du filtre d'autocalibration constitué des erreurs de dérive estimées, Y _n = ( ) et

\dgyrUp) d'autre part une matrice R _n de bruit de mesure des erreurs de dérive en axe senseur

^^ddggyyrrNN ,,ddggyyrrUUpp

où a _gyrN et a^gyrup sont respectivement les variances des états d'erreur de dérive des gyroscopes par rapport au Nord et par rapport à la verticale, et a _{dgyrN >dgyrUp} est la covariance entre les états d'erreur de dérive des gyroscope par rapport au Nord et par rapport à la verticale.

Dans le cas d'un équipement inertiel ne comprenant que deux gyroscopes, les estimations d'erreurs de dérive des gyroscopes sur l'orientation de l'équipement ne sont calculées que par rapport à l'axe du Nord, le vecteur d'observation du filtre d'autocalibration est donc Y _n = (dgyrN) et la matrice de bruit R _n est R _n = {a _gyrN .

Pour constituer le vecteur Y _n et la matrice R _n les plus représentatifs, l'équipement peut prendre les valeurs moyennes sur la durée de la mission des erreurs de dérive autour de l'axe du Nord et autour de l'axe de la verticale, des variances des états d'erreur de dérive des gyroscopes par rapport au Nord, le cas échéant, et par rapport à la verticale, et le cas échéant, de la covariance entre les états d'erreur de dérive des gyroscopes par rapport au Nord et par rapport à la verticale, les étapes 100 et 200 étant itérées à une fréquence prédéterminée.

Les matrices Y _n et R _n sont enregistrées dans la mémoire 40. Ces données doivent être mémorisées d'une mission M _n à la mission suivante M _n+1 .

Le calculateur 30 détermine également une matrice H _n de passage des axes du référentiel senseur aux axes du Nord et de la verticale du repère géographique. Cette matrice H _n , se déduisant des angles d'EULER (Cap, Roulis et Tangage) est de la forme :

„ _ f ^a 00 ^a 01 ^a 02

n ^~ a ₂₀ a ₂₁ a ₂₂ )

Cette matrice est également enregistrée dans la mémoire 40. Lors d'une mission ultérieure M _n+1 , on cherche à déterminer et à corriger la dérive des gyroscopes (et donc du référentiel senseur) par rapport à la mission précédente M _n .

Au cours d'une sous-étape 400, un second filtre dédié, avantageusement du type filtre de KALMAN, se charge d'estimer les erreurs de dérives en axe senseurs (dgyr _x , dgyr _Y et dgyr _z ) à partir des données mémorisées dans l'étape 300 de la mission précédente et de ses propres données mémorisées. Pour cela, il utilise les éléments suivants :

• Y _n : Vecteur d'observation issu de l'étape 300 lors de la mission précédente M _n .

• H _n : Matrice d'observation issue de l'étape 300 lors de la mission M _n .

• R _n : Matrice de bruit de mesure issue de l'étape 300 lors de la mission

M _n .

• P _n : matrice de covariance (les éléments diagonaux étant les variances desdites dérives et les autres éléments étant les covariances des dérives entre deux axes) issue du calcul de la mission précédente M _n , de la forme

• Q : matrice de bruit d'état

• DX _n+1 : Vecteur d'état d'erreurs de dérive gyroscopique à la mission courante n+1 : DX _n+ i =

Le calculateur 30 détermine alors la meilleure estimée des dérives gyroscopiques, en calculant son gain K _n+1 selon la formule,

Kn+l— n + Q - Hn -

et en l'appliquant, comme tout filtre de KALMAN, pour estimer la nouvelle matrice P _n+ i associée au nouveau vecteur d'état DX _n+1 .

P _n+1 = (I - K _n . Hn). (P _n + Q),

DXn+1 ⁼ DX _n + K _n+i (Y _n — H _n DXn Il est à noter que la matrice Q peut soit dépendre de la durée entre deux étapes successives selon une loi de vieillissement déterminée associée aux gyroscopes - à cet égard, les dates des missions M sont mémorisées, pour pouvoir calculer ladite durée entre deux étapes successives - soit être choisie constante en l'absence de connaissance du temps passé entre deux missions M consécutives.

La matrice P _n+ i et le vecteur DX _n+1 sont enregistrés dans la mémoire 40 au cours de l'étape 400, pour pouvoir être réutilisée lors de la mission ultérieure M _n+2 .

Au cours d'une étape 500, le calculateur analyse la précision obtenue pour chacune des estimées des erreurs de dérives gyroscopiques, afin de leur attribuer une validité. Pour cela, il compare les écarts-types des corrections sur chaque axe à un seuil prédéterminé. Ces écarts-types correspondent aux racines carrées des éléments de la diagonale de la matrice P.

Le calculateur attribue à la comparaison sur chaque axe un indicateur correspondant. On appelle (valide _x , valide _y , valide _z ) ces trois indicateurs. Si un écart-type pour un axe est inférieur au seuil prédéterminé, l'indicateur correspondant peut prendre la valeur 1 , la valeur 0 sinon.

Au cours d'une étape 600, le calculateur 30 corrige les erreurs de dérive X _n qui avaient été obtenues lors de la mission précédente M _n , en ajoutant les corrections DX _n+1 déterminées précédemment auxdites erreurs de dérive X _n obtenues à l'étape précédente, et ce, en fonction de la valeur des indicateurs.

Les nouvelles valeurs de dérive X _n+ i issues du processus d'autocalibration sont alors enregistrées dans la mémoire 40 au cours de l'étape 600, en vue d'être utilisées dans l'étape 100 de la mission courante M _n+1 d'acquisition des données senseurs, et de correction desdites données.