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GYROSCOPES ©Département avionique  Instruments gyroscopiques Les gyroscopes permettent d’établir des références pour le pilote ils présentent un ou plusieurs aspects du vol de l’avion: Roulis (roll) Tangage (pitch) Cap (heading) ©Dép...

GYROSCOPES ©Département avionique  Instruments gyroscopiques Les gyroscopes permettent d’établir des références pour le pilote ils présentent un ou plusieurs aspects du vol de l’avion: Roulis (roll) Tangage (pitch) Cap (heading) ©Département avionique  Théories des gyroscopes Un corps en rotation possède deux principaux aspects: 1. La stabilité gyroscopique. Un gyroscope aura tendance à conserver son moment angulaire et donc paraitre stable dans l’espace. 2. La précession gyroscopique. Une force appliquée sur le gyroscope aura son effet visible 90 degrés en retard. Un gyroscope est un appareil comportant une masse tournant sur elle-même à haute vitesse qui est utilisé pour détecter les changements d’orientation. Le corps en rotation est désormais remplacé par un rayon lumineux. Les gyroscopes sont utilisés autant pour les informations de cap, roulis, tangage pour des systèmes aussi variés que le pilotage automatique, la navigation de base ou la stabilisation de systèmes. ©Département avionique Théories des gyroscopes ©Département avionique  C’est vieux, mais c’est utile! Moteur électrique ©Département avionique  C’est vieux, mais c’est utile! Anciennement, le rotor était propulsé par la force de l’air (suction line) venant des moteurs ou d’un tube venturi; Par la suite, c’est un moteur électrique qui fera tourner le gyroscope. Un harnais souple alimente le stator et le rotor tourne avec un aimant permanent ou une alimentation par des bagues. Maintenant, c’est sous forme de rayon lumineux que se mesure les forces. Il n’y a donc plus de pièces mécaniques mobiles, augmentant la fiabilité de ces systèmes. Les gyroscopes permettent de faire l’affichage de l’assiette de l’avion, mais les nouveaux gyroscopes permettent aussi la navigation avec des points (waypoints) fictifs, présent dans le RNAV, puisqu’ils font un calcul de position. ©Département avionique  Une évolution Gyroscopes mécaniques: À entrainement par vacuum Électriques Gyroscopes avec accéléromètres sur plateforme stabilisée Gyroscopes avec accéléromètres fixes (AHRS – strapdown technology) La centrale inertielle (IRS) Gyroscopes laser (gyro laser) Gyroscopes laser tri-axes Centrales intégrées (ADIRU): combinaison de capteurs pitot-statiques et de gyroscopes Les accéléromètres micro-mécanisés (MEMS): capteurs électroniques miniaturisés que l’on retrouve dans les systèmes portatifs comme les téléphones intelligents. Souvent composé d’un cristal sensible aux pressions dans un axe. ©Département avionique  Catégories de gyroscopes 1. Un axe captif: le rotor n’a qu’un seul cardan et mesure le taux de déplacement Turn indicator/indicateur de virage /rate gyro/gyromètre(axe de rotation vertical) 2. Un axe de liberté : le rotor peut indiquer le cap puisque c’est le déplacement angulaire qui est affiché Directional gyro (axe de rotation horizontal) 3. Deux axes de liberté: le rotor permet d’indiquer le déplacement angulaire en roulis et tangage Horizon artificiel (axe de rotation vertical) ©Département avionique  Petites précisions On parle souvent de gyromètre dans la littérature, concernant les mesures de vitesse angulaire Les gyroscopes permettent de mesurer les déplacements angulaires (position), mais sont parfois utilisé pour mesurer la vitesse angulaire. On parle de taux de déplacement en incluant le temps; Les accéléromètres mesurent l’accélération dans un seul axe. Dans plusieurs systèmes, on retrouve 3 accéléromètres et 3 gyromètres (un par axe: roll, pitch, yaw) ©Département avionique  Gyromètres / Gyroscopes Capteur de mouvement (ou encore de vitesse angulaire) dans un ou plusieurs axes en lien avec une référence. Existent sous plusieurs formes: Mécanique Fibre optique (FOG) Laser (gyrolaser) Peut-être vu comme la base des instruments de pilotage. ©Département avionique  Accéléromètres Capteurs souvent électroniques qui permettent mesurer les forces dans un axe et de les transformer en voltage électrique proportionnel. On parle aussi d’accélération linéaire Souvent un capteur Piézo-électrique (ou capteur à effet de Hall), mais on les retrouve aussi comme détecteur de contraintes (jauge de déformation) par fibre-optique. ©Département avionique  Accéléromètres et gyromètres MEMS MEMS signifie Micro-Electro-Mechanical Systems. Les gyroscopes MEMS utilisent un élément vibrant pour mesurer le taux de déplacement dans une direction. Un corps en vibration doit conserver cette vibration dans son axe, même sous l’effet d’une force externe. La force appliquée sur cet élément dans son orientation va être mesurée aux points d’attachements. Une déduction de la force appliquée est mesurée en capacitance et mathématiquement traitée. Avantages: 1. Petits et compacts; 2. Fiables, mais moins précis que le gyro-laser; 3. Pas de pièces mobiles; 4. Économiques; ©Département avionique  Transmission de l’information angulaire Les SYNCHRO-TRANSFORMATEURS se positionnent selon le champ des bobines. D'une part, leur fonctionnement s'apparente à celui du transformateur puisqu'on applique une tension à une bobine primaire pour obtenir, par induction, une tension aux bornes du secondaire. D'autre part, leur fonctionnement peut aussi être comparé au moteur car si un courant suffisamment élevé circule dans les enroulements d'un synchro, un couple peut être produit et entraîner une charge. Noter la rétroaction mécanique sur le rotor du récepteur CT après le déplacement de la rose des vents du HSI, annulant le signal d'erreur à l'entrée de l'ampli. ©Département avionique  Transmission de l’information angulaire L’utilisation de synchro nécessite une alimentation AC 400Hz, normalement 26V ou 115V. Un synchro possède habituellement un rotor d’excitation avec 3 stators qui auront un courant induit selon la position angulaire du rotor. Ces courants dans chacunes des branches seront transmis au stator du synchro-récepteur qui génèra à son tour un champ magnétique dans un rotor. La position du rotor du récepteur sera modifiée par un moteur asservi par une boucle de rétroaction. La valeur des voltages X-Y-Z pourrait aussi être convertie en numérique pour un affichage sur écran. ©Département avionique  Transmission de l’information angulaire Un RÉSOLVEUR utilise 2 bobines SIN-COS pour se positionner. Il s’agit d’un synchros mais dont les bobines sont montées à 90 degrés l’une de l’autre. Les tensions de sortie (souvent en VDC!) varieront en fonction du sinus et du cosinus de l’angle de rotation du rotor. L’excitation peut venir d’une alimentation externe ou simplement par un aimant au niveau du rotor. Les récepteurs ADF peuvent utiliser ce principe pour la transmission du gisement d’une balise. ©Département avionique  Gyroscope Classique La mesure d’un déplacement dans une direction par le gyroscope crée un signal CW ou CCW dans le circuit interne à chaque ¼, ½, ou 1 degré de déplacement. Ce signal est additionné dans un circuit afin de créer un déplacement au niveau du moteur pas-à-pas de l’affichage. La référence d’origine provient de la flux valve et se trouve à correspondre au OUTPUT au moment de l’initialisation. ©Département avionique  L’alignement du gyroscope classique la rose des vents va tourner au rythme de 180 degrés par minute durant l’alignement. Ceci est visible sur le HSI ou le RMI; Certains systèmes affichent un décompte vers le 0 (nord) durant l’alignement; En cas de faute, le flag HDG va apparaitre: Perte d’alimentation électrique; Sous-rotation du gyroscope; Absence de voltage d’indication (data) ©Département avionique  Gyroscope Directionnel Le cap était autrefois donné par le compas, mais celui-ci est inefficace durant les virages et les accélérations La proximité des pôles magnétiques affecte aussi la précision du compas. Un gyroscope stabilise l’indication de cap. Une flux valve détermine le cap de l’avion selon la référence du nord magnétique ©Département avionique  Gyroscope Directionnel GYROSCOPE INSTRUMENT Le gyroscope par sa stabilité va être plus précis que la réactivité de la flux valve. Il est la source directe de l’indication. La flux valve représente la référence de départ pour le cap et permet une compensation tout au long du vol. ©Département avionique  Gyroscope Directionnel Le gyroscope ayant atteint sa vitesse de rotation normale, gardera sa position dans l’espace (stabilité), mais il a besoin d’une calibration en lien avec le Nord magnétique par l’information provenant d’une sonde magnétométrique (flux valve). Durant un changement de direction, le gyroscope conservera sa position et guidera l’affichage de la rose des vents pour modifier son indication de cap. En cas de défectuosité de la flux valve ou de position géographique extrême, une compensation manuelle est possible. ©Département avionique  Fonctionnement Interne - Gyro Directionnel 1. Le gyroscope est alimenté pour sa rotation et aussi pour son circuit de signal de sortie 2. 2 ondes déphasées de 90 degrés forment les sorties (cw et ccw). Elles sont stables s’il n’y aucun changement, mais un déplacement du gyro de 0.25 degré provoque un déphasage supplémentaire dans un sens ou l’autre. 3. Ce changement provoque une addition de chaque impulsion (comme un compteur), ce qui modifie sa sortie. 4. Cette valeur est additionnée à la valeur de référence venant de la flux valve. 5. La somme finale sert à positionner un générateur de phase afin de positionner l’aiguille de direction de l’indicateur. La valeur des voltages des 4 fils correspond à une position exacte. ©Département avionique  Problèmes des Gyroscopes Dérive (drift) Mauvaise mise à zéro (calibration) Compensation inadéquate Usure des pièces mécaniques Friction Magnétisme à proximité de la flux valve Mauvaise source de référence AC (pour l’excitation des synchros) ©Département avionique  Attitude and heading reference system (AHRS) Constitué de 3 gyromètres et 3 accéléromètres, montés sur une plateforme intégrée (strapdown) Nécessite une entrée de relèvement magnétique (flux valve) afin de fournir une information de cap (HDG) ©Département avionique  Attitude and heading reference system (AHRS) Chaque axe possède son gyro et son accéléromètre indépendant. On l’appelle souvent « strap- down technology » par opposition au gimbaled system (à cardan) où les accéléromètres sont montés sur des plateformes stabilisées afin de garder le même axe en rapport à l’horizontale. ©Département avionique Attitude and heading reference system (AHRS) ©Département avionique  Attitude and heading reference system (AHRS) La mise en commun des capteurs de taux ainsi que des accéléromètres permettent d’améliorer la précision des mesures et de réduire le taux d’erreurs produit par les gyroscopes. Ces systèmes sont installés généralement dans l’axe de l’avion, le plus près de l’axe longitudinal. Mais la programmation (strapping) permet d’avoir une orientation différente pour chacune des unités. Les mesures faites par les gyromètres sont intégrées et mélangées aux mesures des accéléromètres afin de créer une solution finale plus stable et plus précise et ce, dans chacun des axes. Certains systèmes possèdent une redondance d’accéléromètres pour la précision. L’algorithme est donc plus complexe qu’une simple mesure de déplacement angulaire. Une compensation de température interne est incluse afin de rectifier le calcul puisque les voltages mesurés sont minuscules et sont affectés par les changements présents durant un vol. ©Département avionique Attitude and heading reference system (AHRS) ©Département avionique  Attitude and heading reference system (AHRS) Les panneaux de compensation magnétique permettent de faire une correction de cap dans les cas où les flux valves ne répondent pas ou que la latitude est trop élevée. (DG/MAG sélection) ©Département avionique Les capteurs de flux magnétiques (flux valve) permettent aux AHRS (et aux gyroscopes directionnels) de recevoir les données Flux Valve d’orientation du nord magnétique lors de leur initialisation et par la suite afin de compenser pour leur erreur. Cette transmission peut se faire par un résolveur ou un synchrotransmetteur, ce qui nécessite un voltage AC de référence. ©Département avionique  Flux Valve Ces capteurs sont installés le plus éloignés possibles de sources perturbant le champ magnétique. La quincaillerie adjacente doit être de type non-magnétique. Les Lear60, Dash 8 ou CL601 (Challenger), possèdent leurs flux valves dans les ailes. Le Dornier a sa sonde magnétométrique dans la dérive verticale. ©Département avionique Gyro laser et systèmes inertiels ©Département avionique Centrales Inertielles Navigation inertielle Combinaison d’accéléromètres (accélération) et de gyromètres orthogonaux (vitesse angulaire) Montés sur 3 axes. Aucune valve de flux pour le cap. Recalage automatique grâce à un input GPS (pour les systèmes récents) ©Département avionique  ATTENTION! Ne pas confondre INS et IRS! Inertial Navigation System (INS) permet d’entrer des points de navigation (ordinateur de navigation) et d’utiliser une navigation VOR-DME ou DME-DME. Parfois aussi appelé RNAV computer. Inertial Reference System (IRS) donne l’information de LAT, LONG et ALT (capteurs) ainsi que les calculs de dérive causé par le vent (drift angle) en conjonction avec un ADC  Centrales Inertielles Accéléromètres + Gyromètres ©Département avionique  Inertial Reference System Les gyros-laser mesure les changements angulaires Les accéléromètres mesurent les accélérations, qu’on intègre afin d’obtenir la vitesse puisque : 𝒅𝒅𝒅𝒅 𝒂𝒂 = Vx (t) =∫𝑎𝑎𝑥𝑥 𝒅𝒅𝒅𝒅 On peut donc faire la même opération pour connaitre la distance en utilisant un point de départ connu puisque : 𝒅𝒅𝑿𝑿 𝑽𝑽 = 𝒅𝒅𝒅𝒅 Les accélérations et les mesures angulaires sont combinées par un algorithme complexe de vecteurs dans les 3 axes. ©Département avionique  Principes des centrales inertielles En connaissant une référence de départ pour la position (latitude, longitude, cap), chacun des vecteurs d’accélération est additionnés afin de mettre à jour la position à tout instant. ©Département avionique  Principes des centrales inertielles La liaison d’un accéléromètre et d’un gyroscope laser dans chacun des axes permet de calculer le vecteur d’accélération avec une haute précision. Module Module Position Accelerations Module Vitesse sol Électronique Databus X, Y, Z Accéléromètre Vélocité De De Accélération Vectorisation sortie Attitude Cap Rotations X, Y, Z Module Gyromètre IRU ©Département avionique  Principes des centrales inertielles Basé sur l’effet Sagnac, relié à l’interférométrie: 2 ondes qui sont comparées lors de leur recombinaison. La différence de phase entre les deux ondes cause une interférence lors de leur superposition Il s’agit d’émettre un influx lumineux qui subira dans un axe le mouvement, ce qui changera sa longueur d’onde On trouve aussi des systèmes qui ont deux faisceaux égaux mais circulant dans des directions opposées. Lors d’un déplacement angulaire, il y aura donc déphasage entre les deux puisque le chemin parcouru ne sera pas le même. Certains systèmes sont faits de multiples torons de fibre optique. ©Département avionique  Principes des Gyro-lasers Fibre optique Triangle laser Système fixe: Système en La longueur mouvement: d’onde est égale La longueur d’onde subit un changement ©Département avionique  Principes des Gyro-lasers 2 ondes lumineuses sont émises dans des circuits fermés leur phase/fréquence subit un changement dû aux mouvements dans l’axe. Le sens de rotation de la terre est mesuré lors de l’initialisation et permet d’acquérir l’orientation géographique (cap) La vitesse linéaire de rotation mesurée permet de déterminer la latitude d’origine de l’avion. La position précise d’origine est difficilement déterminée par les capteurs et doit donc être une donnée externe (manuelle ou GNSS) ©Département avionique Principes des Gyro-lasers ©Département avionique Principes des Gyro-lasers Avantages: Comparaison continuelle des données pour la détection d’erreur Résistants et précis Compacts Consommation électrique faible Pas besoin d’utiliser des flux valves pour le cap ©Département avionique  Importance sur aéronef Les systèmes sur avions possèdent de multiples interconnexions puisque les IRU ont besoin d’information pour s’initialiser et fournissent eux-mêmes du data. HDG, LAT-LONG, attitude (dans les 3 axes), dérive, vitesse-sol,etc. Les systèmes TCAS, EGPWS, détection de décrochage, directeurs de vol, radar, FDR ont besoin de l’information d’attitude pour opérer. Sans ces informations, ces systèmes ne peuvent opérer et génèrent un message de faute. ©Département avionique  Importance sur aéronef Les restrictions sur les approches sont importantes en cas de MEL. Toujours se référer aux notes s’y rapportant. ©Département avionique  Le futur des Gyro Laser: Type Triaxes Intégrés Les gyros laser 3 axes combinent trois modules réguliers dans une seule unité (tétraèdre): Économie de poids; Possibilités d’inclure plus de capteurs dans la même boîte avionique; Possibilité de redondance et donc de comparaison pour atteindre un plus haut niveau de précision; Permet d’éliminer un capteur hors- norme tout en continuant la navigation. Source: www.Thalesgroup.com ©Département avionique  Mise en route Les gyroscopes ont besoins d’un certain temps d’alignement avant d’être fonctionnel Pour les gyroscopes classiques et les AHRS, l’atteinte de la vitesse de rotation est primordiale. La référence de HDG venant de la flux valve ou l’entrée manuelle du cap doit être exécutée. Pour le IRS, un temps de mesures pour l’initialisation est défini dépendant de la latitude de l’avion. Plus l’avion est à une latitude élevée plus le temps d’initialisation est long, dû à la distance de rotation parcourue plus courte. ©Département avionique  Mise en route Pendant l’initialisation: les gyroscopes, les AHRS et les IRS doivent être en position fixe et stable. Mais les nouveaux modèles de IRS peuvent suspendre leur initialisation et la reprendre lorsque l’avion est de nouveau arrêté. (ex.: pendant un remorquage ou lors d’une reprise après une panne électrique) Certains systèmes peuvent se réinitialiser en vol grâce aux données des autres plateformes. ©Département avionique  Mise en route – A220 Position GNSS / manual input ©Département avionique  Mise en route Le IRS n’utilise pas de flux valve mais mesure plutôt le déplacement dans l’espace dû à la rotation terrestre afin de déterminer son HDG en rapport avec le Nord vrai (True North). Le IRS a besoin aussi d’un point de référence entrée manuellement ou par position GPS afin de compléter son initialisation, spécifiquement pour réduire le temps de détermination de la latitude et pour déterminer la longitude qui ne peut pas être déduite par les capteurs. Certains avions ont conservé un contrôleur dédié, mais le plus souvent, c’est le FMS qui est utilisé pour initialiser la position. Plusieurs modèles conservent la dernière position connue en mémoire afin d’accélérer l’initialisation. ©Département avionique  Dornier 328 Les sorties ARINC 429 du IRU comme sur le Dornier 328 permettent de déterminer bien plus que la simple position de l’avion: Cap Longitude Latitude Accélération dans les trois axes Direction du vent Vitesse sol ETC. ©Département avionique Indication de défectuosité Le drapeau ATT ou HDG en rouge permet d’avertir le pilote d’une panne du système gyroscopique. Ce drapeau peut être accompagné aussi d’un X rouge central. Le drapeau ATT ou HDG en jaune avertit l’équipage que la source gyroscopique est la même pour le côté pilote et copilote, donc il n’y a plus de comparaison visuelle en cas de divergence. ©Département avionique