Les gyroscopes et les gyromètres sont des appareils de mesure angulaire faisant partie de la famille d’instruments incluant les capteurs inertiels et gyroscopiques. Les gyroscopes déterminent l’orientation dans l’espace en se servant de la gravité terrestre. Ils détectent la position angulaire, c’est à dire le changement d’angle de rotation dans le temps. Les gyromètres sont aussi des capteurs de mouvement, mais eux mesurent la vitesse angulaire, simultanément sur un ou trois axes, par rapport à un référentiel inertiel. Ces deux dispositifs existent dans plusieurs technologies que nous vous proposons de voir en détails grâce à ce dossier complet. Retrouvez à la fin le comparatif des différentes technologies mais aussi des exemples d’applications en fonction de leurs spécifications.
Sommaire – Avec accès direct aux rubriques
- GYROSCOPES ET GYROMÈTRES MÉCANIQUES
- Gyroscopes mécaniques avec éléments rotatifs
- Gyroscopes vibrants : l'effet Coriolis
- Rappel de la force de Coriolis utilisée pour les gyroscopes vibrants
- Gyroscope vibrant utilisant comme résonateur un diapason quartz MEMS
- Technologie à quartz MEMS (Systron Donner)
- Comment fonctionne le gyroscope à quartz MEMS ?
- Gyroscope vibrant utilisant un résonateur "cylindre” avec éléments PZT
- Technologie Coriolis Vibratory Gyroscope (CVG)
- Modes de fonctionnement du CVG
- Gyroscope vibrant utilisant comme résonateur les technologies MEMS
- Gyroscope vibrant utilisant comme résonateur un anneau à technologie VSG
- Principe de fonctionnement du gyroscope à structure vibrante VSG
- Gyroscope vibrant utilisant à résonateur hémisphérique GRH / HRG
- Principe de fonctionnement des GRH / HRG
- Avantages des gyroscopes à résonateur hémisphérique
- Inconvénients des GRH / HRG
- Quelles applications pour les gyroscopes à résonateur hémisphérique ?
- GYROSCOPES ET GYROMÈTRES OPTIQUES : L'EFFET SAGNAC
- Rappel sur l'effet Sagnac
- Gyroscope ou gyromètre laser : RLG (gyrolaser)
- Particularité du gyroscope ou gyromètre laser
- Avantages des RLG
- Inconvénients des gyrolasers
- Quelles applications pour les gyroscopes ou gyromètres laser ?
- Gyroscope ou gyromètre fibre optique : FOG
- Principe de fonctionnement du FOG
- Avantages des gyroscopes ou gyromètres à fibre optique
- Inconvénients des FOG
- Quelles utilisations pour les gyroscopes ou gyromètres à fibre optique ?
- COMPARATIF DES DIFFÉRENTES TECHNOLOGIES DE GYROSCOPES ET DE GYROMÈTRES
- Gyromètres vibrants Quartz MEMS et CVG : points forts et points faibles
- Gyromètres SMG / VSG (MEMS) : points forts et points faibles
- Gyromètres SiMems (Silicon MEMS) : points forts et points faibles
- Gyromètres RLG / Gyrolasers : points forts et points faibles
- Gyromètres vibrants Quartz MEMS et CVG : points forts et points faibles
- En conclusion de ce comparatif
- EXEMPLES D'APPLICATIONS DES GYROSCOPES ET DES GYROMÈTRES SELON LEURS SPÉCIFICATIONS
- Spécifications des gyroscopes hautes performances, à coût élevé et à faible quantité
- Spécifications des gyroscopes faibles performances, à faible coût et à grandes quantités
- Exemples de spécifications pour différentes technologies de gyroscopes et de gyromètres
- Quelques applications pour les gyroscopes et les gyromètres
Gyroscopes et gyromètres mécaniques
Gyroscopes mécaniques avec éléments rotatifs
Le physicien français Léon Foucault a inventé le premier gyroscope mécanique. Il était composé d’une masse pivotée à haute vitesse et reliée à une base fixe. Foucault a montré que lorsqu’on tourne la masse, elle reste relativement stable par rapport à sa base de référence.
Cette découverte a ouvert de nouvelles voies vers la navigation spatiale et le contrôle automatique des vols.
L’effet gyroscopique peut se comprendre avec une toupie. Au lieu de tomber, la toupie reste en équilibre tant qu’elle est en rotation. En principe elle peut rester sur le même axe même si son support est incliné, ainsi l’angle entre la toupie et le support permet de mesurer la rotation.
Cet effet, dû à la conservation du moment angulaire, permet de construire des instruments de mesure pouvant fonctionner comme gyroscope ou comme gyromètre.
Les gyroscopes et gyromètres actuels utilisent différentes technologies dont, principalement, la force de Coriolis ou l’effet Sagnac.
Gyroscopes vibrants l'effet Coriolis
Il existe de nombreuses technologies de gyroscopes vibrants qui diffèrent par :
- la forme de leur résonateur
- les éléments transducteurs employés pour le couplage électromécanique entre résonateur mécanique
- l’électronique de mise en œuvre
- leur mode de fonctionnement
- et la technologie et matériaux utilisés
Un des modes de résonance du corps élastique est entretenu à une amplitude déterminée, quand l’appareil tourne autour d’un axe particulier, les forces résultantes de Coriolis agissant sur les masses en mouvement du résonateur excitent un second mode de résonance.
C’est sur ce principe qu’a fonctionné un des premiers gyroscopes de ce type.
- Le mode entretenu est le mode de vibration naturel du diapason avec les branches en opposition de phase ou cylindre.
- Le second mode est le mode de torsion du diapason (résonateur) autour de son axe longitudinal.
La vitesse à laquelle l’énergie mécanique est transférée vers ce second mode constitue la mesure de la vitesse de rotation autour de l’axe sensible.
Tous les gyromètres de cette technologie exploitent des corps vibrants appelés résonateurs de différentes conceptions, fourchette, cylindre, anneau, hémisphère et des mécanismes pour la conduite et la détection du mouvement pouvant utiliser différents matériaux, piézoélectrique, induction, capacitif (figure 1).
Figure 1 : modèles de résonateurs et mécanismes de détection
Un des modes de résonance du corps élastique est entretenu à une amplitude déterminée. Quand l’appareil tourne autour d’un axe particulier, les forces résultantes de Coriolis, agissant sur les masses en mouvement du résonateur, excitent un second mode de résonance.
C’est sur ce principe qu’un des premiers gyromètres de ce type a pu fonctionner.
Le mode entretenu est le mode de vibration naturel du diapason (ou cylindre), branches en opposition de phase, le second mode est le mode de torsion du diapason autour de son axe longitudinal.
Rappel de la force de Coriolis utilisée pour les gyroscopes vibrants
La force de Coriolis est une force inertielle agissant perpendiculairement à la direction du mouvement d’un corps en déplacement dans un milieu (un référentiel) lui- même en rotation uniforme, tel que vu par un observateur partageant le même référentiel.
Cette force est nommée ainsi en l’honneur de l’ingénieur français Gaspard-Auguste Coriolis. Elle n’est pas en fait une force au sens strict, soit l’action d’un corps sur un autre, mais plutôt une force fictive résultant du mouvement non linéaire du référentiel lui-même.
C’est l’observateur qui change de position par l’action de l’accélération centripète du référentiel et qui interprète tout changement de direction de ce qui l’entoure comme une force inverse. L’introduction de cette force permet de simplifier les équations du mouvement dans ce genre de repère, au même titre que celui de la force centrifuge.
Une utilisation pratique de la force de Coriolis est le calcul de la trajectoire des projectiles dans l’atmosphère.
Une fois qu’un obus est tiré ou qu’une fusée en vol sous-orbital a épuisé son carburant, sa trajectoire n’est contrôlée que par la gravité et les vents (quand il est dans l’atmosphère). Supposons maintenant qu’on enlève la déviation due au vent.
Dans le repaire en rotation qu’est la terre, le sol se déplace par rapport à la trajectoire rectiligne que verrait un observateur immobile dans l’espace. Donc, pour un observateur terrestre, il faut ajouter la force de Coriolis pour savoir où le projectile retombera au sol.
La figure suivante montre la composante horizontale de la trajectoire qu’un corps parcourrait s’il n’y avait que la force de Coriolis qui agisse (elle ne comporte pas la composante verticale du vol, ni la composante verticale de Coriolis).
Supposons que le corps se déplace à vitesse constante de l’équateur vers le pôle Nord à altitude constante du sol, il subit un déplacement vers la droite par Coriolis (hémisphère nord). Sa vitesse ne change pas, mais sa direction courbe.
Dans sa nouvelle trajectoire, la force de Coriolis se remet à angle droit et le fait courber encore plus. Finalement il effectue un cercle complet en un temps donné qui dépend de sa vitesse et de la latitude.
Gyroscope vibrant utilisant comme résonateur un diapason quartz MEMS
Technologie à quartz MEMS (Systron Donner)
Cette technologie utilise comme matériau du quartz piézoélectrique « micro usiné » par un procédé de photolithographie. Le quartz permet d’avoir un élément très stable dans le temps et en température.
Les figures 2 et 3 qui suivent , montrent une « fourchette » quartz micro usiné comme résonateur, le mode de fonctionnement et l’électronique nécessaire pour obtenir un signal proportionnel à la vitesse de rotation.
Principe la technologie à Quartz MEMS :
- Le diapason piézoélectrique à quartz est entraîné à sa résonance mécanique (10 kHz).
- La vitesse est mesurée en détectant la force de Coriolis appliquée au diapason vibrant pendant la rotation.
- Une deuxième fourchette à image miroir est configurée pour capter le signal de vitesse.
- Les signaux sont amplifiés puis démodulés de manière synchrone en une tension continue proportionnelle à la vitesse.
- Capteur Coriolis : Les dents d’entraînement en quartz sont actionnées piézoélectriquement pour vibrer dans le plan.
- La rotation crée des forces de Coriolis qui entraînent le déplacement des dents de ramassage vers l’intérieur et vers l’extérieur du plan. La déflexion et la charge générée sont proportionnelles à la vitesse. Les électrodes de décollement détectent cette charge et la transmettent à l’électronique.
- Les signaux de sortie électroniques sont produits par l’amplificateur.
- Les signaux sont convertis en signaux électriques DC – proportionnels au débit – par un commutateur démodulateur synchrone.
- La sortie DC est proportionnelle au taux et à la direction de l’entrée.
Comment fonctionne le gyroscope à quartz MEMS
Un des modes de résonance du corps élastique est entretenu à une amplitude déterminée.
Quand l’appareil tourne autour d’un axe particulier, les forces résultantes de Coriolis agissant sur les masses en mouvement du résonateur excitent un second mode de résonance.
Le mode entretenu est le mode de vibration naturelle du diapason-branches en opposition de phase (drive fork).
Le second mode est le mode de torsion (pick-up fork) du diapason autour de son axe longitudinal.
La vitesse à laquelle l’énergie mécanique est transférée vers ce second mode constitue la mesure de la position angulaire autour de l’axe sensible de l’appareil.
Gyroscope vibrant utilisant un résonateur "cylindre” avec éléments PZT
Technologie Coriolis Vibratory Gyroscope (CVG)
InnaLabs a développé des gyroscopes vibrants Coriolis Vibratory Gyroscope (CVG) très performants pour les systèmes de contrôle de stabilisation et systèmes tactiques.
Basés sur cette technologie, les gyroscopes CVG offrent à faible coût un signal de sortie faible bruit tel que 0,4μrad jusqu’à 100Hz. Ces performances les rendent très compétitifs par rapport aux gyroscopes à fibre optique (FOG) et aux gyroscopes avec résonateur hémisphérique (HRG).
Les principes de base de la technologie de gyroscopes Coriolis sont bien connus depuis la première démonstration pratique utilisant un pendule de Foucault pour mesurer la rotation de la Terre (1851).
Plus récemment, les gyroscopes « effet Coriolis » sont devenus plus communs et peuvent utiliser une variété de structures résonantes de type fourchette anneau plan, structure hémisphérique (fig.1) ou cylindrique (figure 5).
La première conception de type CVG utilisait une structure cylindrique métallique (SE) avec le contrôle et la détection des modes de vibration à l’aide d’éléments PZT fixés sur le cylindre.
Toutes ces structures utilisent le même principe de base avec un mode « excitation » ou mode primaire, une fois excité, couplé à un second mode, mode secondaire « détection » qui, par la rotation dans l’axe approprié et l’effet Coriolis, permet la mesure.
Les gyroscopes CVG utilisent une structure « résonante » de forme cylindrique comme élément « sensible » rigidement attachée au boitier par un support central. Le cylindre fonctionne en utilisant deux modes de résonance montrés par les figures 6 et 7 ci-dessous (mode primaire à gauche, mode secondaire à droite).
Modes de fonctionnement du CVG
Primary loops
Le mode Primary loops (Frequency Control Loop, Amplitude Control Loop et Reference Rate Phase) contrôle la fréquence de résonance du corps élastique (SE resonator) maintenue à une amplitude et fréquence déterminées constantes.
SE : Résonateur
L’élément sensible (SE) est préalablement équilibré pour s’assurer que les modes primaire et secondaire sont à la même fréquence.
Quand le cylindre tourne autour d’un axe particulier (l’axe de fixation), les forces résultantes de l’effet Coriolis produisent un second mode de résonance détecté par les éléments PZT fixés sur le résonateur. Ce signal est alors contrebalancé par une action sur les éléments PZT.
Secondary loops
Ce module contrôle le résonateur (SE).
- In phase signal : rate response
- Out of phase signal : 90° out of phase, quadrature, error signal due to imperfect mode frequency matching
La vitesse à laquelle l’énergie mécanique est transférée vers le second mode constitue la mesure de la vitesse de rotation autour de l’axe sensible.
Un de ces deux modes est maintenu à une amplitude constante (mode primaire, mode 1), le second mode étant utilisé pour la mesure de rotation (mode secondaire, mode 2). Quand le cylindre (SE) tourne autour de l’axe du support de fixation, les forces de Coriolis induites transfèrent l’énergie du mode 1 au mode 2, l’amplitude de la « déformation » résultante étant directement proportionnelle à la « rotation » appliquée.
Un gyroscope INL-CVG de ce type fonctionne en configuration boucle fermée pour maintenir le mode 2 à zéro.
La force requise pour annuler ce mode est alors proportionnelle à la rotation.
Ce système de boucle de contrôle (control loop system) est généralement référencé sous l’appellation “force-rebalanced operating mode”.
La figure suivante montre l’assemblage des différents éléments, le résonateur, le montage des éléments PZT fixés sur sa surface, l’intégration dans un boitier et l’électronique selon que le gyroscope soit un ou deux axes.
Les gyroscopes (coût modéré) de cette technologie offrent des performances « tactical- grade » telles qu’un très faible bruit résiduel, 0,4 μrad efficace @100Hz, ainsi qu’une excellente stabilité du biais 0,03°/h efficace @ 150 sec avec un ARW de 0,004°/√h.
Ces performances rendent cette technologie très compétitive par rapport à des technologies fibre optique (FOG) et résonateur hémisphérique (HRG) plus complexes et onéreuses.
Une des dernières applications spatiales sur satellites en orbite de la technologie CVG, concerne l’équipement de 19 satellites avec un total de 76 gyroscopes, let tout sur une durée de 6 années. Après 2 500 000 heures en espace, aucune panne ou dégradation des performances n’a été constatée.
Gyroscope vibrant utilisant comme résonateur les technologies MEMS
Un gyroscope MEMS se compose typiquement d’une masse en oscillation qui est suspendue de manière à pouvoir se déplacer librement dans au moins deux directions (figures 8).
Lorsque le dispositif est soumis à une rotation, la force de Coriolis agit sur la masse oscillante provoquant un déplacement perpendiculaire à la direction de la rotation.
Cette première génération de ce type de gyroscopes présente les avantages d’une taille réduite.
Ils sont considérablement plus petits et très légers, ce qui les rend très intéressants pour les applications où les contraintes de taille et de poids sont critiques.
Ils ont un très faible coût car ils sont produits en très grande quantité, ce qui est très différent des autres techniques de gyromètres bien plus performants (CVG, Quartz Mems, SMG, LRG, FOG, HRG). Petits, compacts et peu gourmands en énergie, ils sont principalement utilisés pour les applications suivantes :
Stabilisation des véhicules
Ils améliorent la stabilité des voitures grâce à des systèmes de contrôle électronique de la stabilité (ESC).
Les véhicules autonomes
Ils permettent de connaitre le positionnement précis des véhicules autonomes en cas de perte du signal GPS.
Smartphones / téléphones
Ils détectent la rotation de l’appareil (reconnaissance des gestes) et facilitent la navigation intérieure lorsque le GPS est désactivé.
Ces dernières années, les progrès en développement et production de microsystèmes électromécaniques MEMS utilisés comme résonateur (anneau vibrant) ont permis la conception d’accéléromètres mais aussi de gyromètres à structure vibrante (anneau résonant ou autres) basés sur la force de Coriolis.
Ces technologies permettent d’avoir des gyroscopes plus gros, plus lourds, mais avec de meilleures performances tout en ayant un coût modéré ou, plus important, des performances intéressantes pour les applications « tactical grade » par exemple.
Gyroscope vibrant utilisant comme résonateur un anneau à technologie VSG
Tous les gyroscopes MEMS VSG (gyroscope à structure vibrante) utilisent un anneau vibrant ou résonant fabriqué à l’aide d’un procédé de gravure profonde par ions réactifs sur silicium massif (DRIE). L’anneau est maintenu dans l’espace par huit paires de rayons symétriques en forme de pattes de chien.
Le processus de gravure sur silicium massif et le concept d’anneau unique permettent d’obtenir des propriétés géométriques avec des tolérances strictes, pour un équilibre précis et une stabilité thermique optimale.
Contrairement à d’autres gyros MEMS, il n’y a aucun interstice susceptible de poser des problèmes d’interférence et de frottement statique. Ces caractéristiques contribuent de manière significative à la stabilité en température du biais et du facteur d’échelle ainsi qu’à la résistance aux chocs et vibrations. Autre avantage : l’immunité inhérente à l’erreur de vitesse induite par l’accélération.
Principe de fonctionnement du gyroscope à structure vibrante VSG
Les actionneurs / transducteurs sont fixés sur la circonférence de la surface supérieure de l’anneau de silicium et sont raccordés électriquement à des plots de connexion sur silicium, via des impressions conductrices, sur les rayons. Ils déclenchent ou pilotent l’anneau en mode de vibration pour l’amener à résonner (comme lorsque l’on fait glisser un doigt humide sur le pourtour d’un verre pour le faire chanter), ou détectent un mouvement radial sur la circonférence de l’anneau, dû à l’actionneur d’entrainement primaire ou à la force de Coriolis générée par le gyro en rotation autour de son axe sensible qui traverse le centre de l’anneau.
La combinaison de transducteurs et de détecteurs d’écart secondaires optimise le rapport signal-bruit des VSG, ce qui explique le très faible niveau de bruit ainsi que des caractéristiques remarquables en matière d’instabilité du biais et de marche aléatoire angulaire (ARW).
Cette figure montre le gyro sous tension, qui ne tourne pas (vitesse angulaire= 0).
On constate que chaque point de l’anneau se déplace radialement en ligne droite à partir du centre de l’anneau, à l’exception des nœuds à 45°, puis à des intervalles de 90° autour de l’anneau représentés par des points bleus restant stationnaires.
Cette figure montre le gyro subissant une impulsion de vitesse angulaire.
L’effet de la force de Coriolis entre en jeu, amenant chaque point de l’anneau qui se déplace vers l’extérieur à se courber dans une direction, tandis que les points qui se déplacent vers l’intérieur se courbent dans l’autre direction.
Le mode vibrant se déplace sur la circonférence de l’anneau, à un angle proportionnel à la vitesse de rotation.
La vitesse de rotation peut être mesurée de deux manières :
- En détectant l’importance du déplacement actuel des points nodaux précédents, méthode appelée mesure en boucle ouverte.
- En générant une force de rappel qui maintient le mode de vibration de l’anneau à la position d’origine sur l’anneau, méthode appelée mesure en boucle fermée.
Il existe actuellement trois générations de VSG MEMS (inductifs, capacitifs et PZT) ce qui permet de produire une gamme étendue de gyromètres à l’échelle d’une puce (faible coût) aux modules gyroscopiques plus performants.
Plusieurs technologies de MEMS plus ou moins performantes peuvent être utilisées mais tous ces capteurs utilisent l’effet Coriolis.
Gyroscope vibrant utilisant à résonateur hémisphérique GRH / HRG
Appelé aussi « verre à vin ou champignon », le gyroscope à résonateur hémisphérique (GRH / HRG) est utilisé pour mesurer ou pour maintenir l’orientation et la direction angulaire en utilisant l’effet Coriolis.
La simplicité de son mécanisme et la maturité de sa technologie permettent le développement de nouvelles centrales inertielles fiables, capables de couvrir une très large gamme de performances pour les applications civiles (IMU non tactical grade) et militaires (IMU tactical grade).
Principe de fonctionnement des GRH / HRG
Le cœur (résonateur) de ces modèles est une coque fine se présentant sous une forme hémisphérique généralement fabriquée en quartz ou dans un matériau similaire.
Cette coque résonne en réponse à une excitation électromécanique à une fréquence spécifique.
Lorsque le gyroscope est soumis à un mouvement, la force de Coriolis agit sur la coque « vibrante » provoquant un changement de sa fréquence de résonance.
Ce changement est ensuite mesuré et permettra de déterminer l’orientation ou la rotation.
Basé sur les principes inertiels du pendule de Foucault et de mise en résonance, le fonctionnement des gyroscopes HRG /GRH peut être assimilé à ce qui se passe lorsque l’on fait tinter un verre en cristal. (résonateur)
La déformation du verre se traduit par l’apparition d’une onde. La détection de sa position permet d’en mesurer la rotation.
Avantages des gyroscopes à résonateur hémisphérique
Constitué d’un nombre réduit de pièces dans un hémisphère en silice, une coquille en verre extrêmement pur comme résonateur de quelques grammes, ce type de gyroscope se caractérise par :
- une durée de vie quasi illimitée
- une robustesse face aux environnements éprouvants
- et une grande fiabilité avec une durée moyenne entre pannes supérieure à 1 million d’heures
L’un des principaux avantages de ce type de gyroscope à résonateur hémisphérique est sa grande précision.
Contrairement aux gyroscopes traditionnels, il est moins susceptible aux erreurs causées par les changements de température et les influences environnementales.
Sa conception compacte et sa résistance aux chocs le rendent intéressant pour une utilisation dans des conditions extrêmes.
Inconvénients des GRH / HRG
Cette technologie de très haut niveau nécessite un outillage et des procédés de fabrication sophistiqués, limitant ainsi le nombre de fabriquant possible (Northrop, Raytheon, Safran Electronique et Défense…).
Ce modèle de gyroscope est relativement onéreux dû aux coûts de fabrication d’élément résonant et dépôt d’électrodes.
Quelles applications pour les gyroscopes à résonateur hémisphérique ?
Les gyroscopes à résonateur hémisphérique sont utilisés dans diverses applications où la précision et la fiabilité sont essentielles.
Ils sont particulièrement utiles dans les systèmes de navigation inertielle pour les applications suivantes.
Aéronefs
Véhicules spatiaux
Sous-marins
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Gyroscopes et gyromètres optiques : l'effet Sagnac
Rappel sur l’effet Sagnac
Découvert par M. Georges Sagnac en 1913, l’effet Sagnac correspond au décalage temporel de la réception de deux signaux lumineux tournant en sens inverse autour de la circonférence d’un disque en rotation (par rapport à un référentiel inertiel), quand ils sont émis par un émetteur- récepteur fixé sur ce disque.
L'effet Sagnac en physique classique
Il est interprétable comme une asymétrie de la vitesse des signaux lumineux par rapport à la circonférence du disque en rotation.
L'effet Sagnac en physique relativiste
L’effet correspond à l’impossibilité de synchroniser des horloges sur une courbe fermée soumise à la gravitation, ou à une accélération (en cas de rotation).
Mais la vraie question est...
La lumière prendra t-elle exactement le même temps pour parcourir la distance dans un sens ou dans l’autre ?
Il est très difficile de mesurer la lumière du fait de sa grande célérité. L’idée de M. Sagnac fut ingénieuse car il utilisa la lumière pour se mesurer elle-même. Il créa un circuit fermé pour un rayon lumineux à l’aide de quelques miroirs, et envoya les deux moitiés d’une raie de lumière dans les deux sens de la boucle au même instant.
Du fait qu’il s’agissait des deux parties d’une même raie, l’observation interférométrique simple pouvait alors témoigner d’une différence des temps de trajet.
Son idée suivante fut de mettre l’appareillage complet, miroirs et autres, sur une table tournante. Quand il fit tourner la table sur elle-même, une différence de temps apparut. Autrement dit, une raie de lumière a fait le tour du circuit en moins de temps que l’autre.
Deux innovations des années 60 et 70 ont permis de mettre en œuvre de façon pratique l’effet Sagnac pour le développement de modèles de gyroscopes optiques de technologies différentes.
Gyroscope ou gyromètre laser : RLG (gyrolaser)
Le premier gyrolaser de cette technologie fut présenté en 1963 aux États-Unis. Depuis, la technologie a été améliorée par de nombreuses sociétés.
Cette technologie de hautes performances est utilisée pour le guidage et la navigation inertielle. Un gyromètre laser est un capteur de vitesse angulaire basé sur l’effet Sagnac et mettant en œuvre un rayon laser. Il comporte une partie optique et une partie électronique et il peut se présenter sous une forme triaxiale ou carrée, selon le boitier utilisé.
La technique utilisée est basée sur la propagation d’un laser dans un trajet optique circulaire. C’est une application de l’effet Sagnac. On considère un trajet optique circulaire (rayon R) dans le vide, animé d’un mouvement de rotation à la vitesse ῶ. Après un temps ∆t, le point P est placé à la position P’. Deux rayons laser parcourent le trajet en sens inverse.
La différence de chemin optique α𝑹 pour un sens de rotation donné est alors proche de 𝟒𝝅𝑹² * ῶ / 𝐜 où c représente la vitesse de la lumière. Cette expression s’écrit aussi 𝟒𝑺 * ꟺ / 𝐜 (avec S la surface limitée par le cercle décrit) et se généralise pour toutes les surfaces.
L’interférence va permettre d’accéder à la différence de chemin optique et donc à la vitesse de rotation. (En associant trois gyromètres, il est possible de mesurer la vitesse angulaire d’un mobile dans l’espace.)
Particularité du gyroscope ou gyromètre laser
L’appareil comporte une partie optique et une partie électronique. Généralement, sa forme est triangulaire ou carrée. La partie optique comporte des miroirs et un tube capillaire remplie d’un mélange gazeux qui constitue le milieu amplificateur du laser. Le premier miroir est concave pour améliorer la focalisation, le deuxième est fixé sur un moteur piézoélectrique, ce qui va permettre de moduler la puissance du laser et le troisième est semi-réfléchissant, ce qui permet de récupérer une partie du faisceau.
Pour réaliser un gyrolaser, il faut intégrer dans un dispositif compact :
- un circuit optique fermé très stable (cavité résonante en boucle) englobant la plus grande surface possible.
- un milieu amplificateur laser, en principe une décharge dans un milieu He Ne intégré dans la cavité
- un dispositif interférométrique de lecture permettant de créer le réseau de franges entre les deux faisceaux contrarotatifs.
Le gyrolaser est construit autour d’un bloc optique assurant principalement deux fonctions :
- le supportage des trois miroirs permettant de garder la cavité laser alignée dans toute la gamme de température
- une enceinte à vide permettant de garder le gaz amplificateur durant la durée de vie
Les trois miroirs constituent la cavité résonante (voir figure suivante) :
- miroir sphérique
- miroir souple
- miroir plat
Le dispositif de lecture prélève une fraction des deux faisceaux à l’arrière d’un miroir légèrement transparent.
Le prisme superpose spatialement les deux faisceaux avec un traitement semi réfléchissant en créant un petit angle α générant le réseau de franges sur la photodiode double. Celle- ci détecte le taux de motif de franges et la direction du mouvement.
La fréquence et la phase relative des deux sorties de diodes indiquent l’ampleur et le sens de rotation du gyroscope.
Le couplage énergétique dû aux quelques photons rétrodiffusés par les miroirs fait que, à faible vitesse, les deux ondes se bloquent à la même fréquence.
Ce phénomène est appelé « zone aveugle ».
Pour y remédier la solution utilisée est d’imprimer un mouvement oscillant permanent au bloc optique à l’aide de la suspension centrale. La décharge dans le milieu gazeux est obtenue par trois électrodes, une cathode et deux anodes.
Une alimentation haute tension crée une décharge confinée dans les capillaires permettant d’avoir la densité d’électrons créant un gain suffisant. Les deux faisceaux laser contrarotatifs peuvent s’établir dès que le gain est plus grand que les pertes.
Les gyrolasers sont installés suivant le trièdre de l’avion (un pour chaque axe de vol).
La sortie peut être utilisée par l’instrumentation analogique ou numérique ainsi que par un pilote automatique.
Avantages des RLG
Reposant sur une conception « monolithique » de sa partie optique (vitrocéramique), il est peu sensible à son environnement (température, accélération, vibration, choc) et il bénéficie pratiquement d’aucun entretien en raison d’un nombre restreint de pièces mobiles.
Ils sont extrêmement précis, très peu sensibles aux perturbations engendrées par l’environnement.
Inconvénients des gyrolasers
Les gyroscopes ou gyromètres laser sont dotés de hautes performances mais disposent de dimensions importantes et d’un coût élevé.
Quelles applications pour les gyroscopes ou gyromètres laser ?
Cette technologie de haute performance est très utilisée pour les domaines dans lesquels une très grande fiabilité est nécessaire, avec une incertitude inférieure à 0,01° par heure et un temps moyen entre pannes supérieur à 300 000 heures.
- Avions de transport civil de premier niveau (Airbus, Boeing…)
- Avions d’armes et avions de transport militaire
- Hélicoptères d’attaque et de transport
- Navires militaires et sous- marins d’attaque
- Missiles disposant d’un guidage inertiel
Gyroscope ou gyromètre fibre optique : FOG
Plutôt vu au départ comme étant limité aux moyennes performances, il atteint maintenant une stabilité de classe (classe stratégique).
Un gyromètre à fibre optique est un capteur de vitesse angulaire utilisant un rayon lumineux dans une fibre optique.
À la différence du gyromètre laser, les rayons ont une cohérence réduite pour éviter les interférences parasites.
La lumière faiblement cohérente parcourt un circuit optique dans les deux sens et l’interférence ne va concerner que les rayons qui ont quasiment le même chemin optique sur quelques franges seulement, et va dépendre de la vitesse de rotation de l’ensemble.
Principe de fonctionnement du FOG
Dans une explication simple, deux rayons de lumière incohérente parcourent la fibre dans des directions opposées.
À cause de l’effet Sagnac, le parcours du rayon allant dans le sens inverse de la rotation est plus court que celui de l’autre rayon.
Il en résulte ainsi un déphasage à l’intersection des rayons et l’intensité de la lumière résultante dépend de la rotation de l’ensemble. Le gyromètre à fibre optique est en général asservi à la frange principale par un modulateur de phase agissant en système de rétroaction, la mesure étant donnée par la phase que doit ajouter le modulateur pour compenser l’effet Sagnac.
C’est un gyromètre à fibre optique en boucle fermée. L’information donnée par ce type de gyromètre est extrêmement précise et, contrairement au gyroscope classique, il n’y a pas d’inertie ni de partie mobile.
Le développement des fibres optiques monomode à faibles pertes au début des années 1970 pour l’industrie des télécommunications a permis le développement des gyromètres à fibre optique. Le gyromètre à fibre optique est en général asservi à la frange principale par un modulateur de phase agissant en système de rétraction, la mesure étant donnée par la phase que doit ajouter le modulateur pour compenser l’effet Sagnac.
Actuellement, la conception des gyromètres à fibre optique n’utilise que des composants fibrés, qui sont venus remplacer les composants optiques classiques : miroirs, semi- réfléchissants…
Avantages des gyroscopes ou gyromètres à fibre optique
Ce type actuel de technologie permet une stabilité de quelques degrés par heure à moins d’un millième de degré par heure.
Les performances plus importantes nécessitent la mise en œuvre de bobines de plus grand diamètre et de fibre de plus grande longueur.
De par l’absence de toute pièce mobile, ils sont fiables dans des environnements difficiles comportant des vibrations importantes.
Ils sont acoustiquement silencieux, alors que le gyrolaser émet un léger bruit pouvant interférer avec d’éventuels capteurs de sons.
Inconvénients des FOG
Certaines conceptions peuvent être sensibles aux vibrations. Une conception adéquate permet leur utilisation pour des applications à fortes vibrations et chocs.
De plus leur facteur d’échelle est moins bon que celui du gyrolaser.
Enfin, les dimensions de la bobine sont importantes pour les hautes performances.
Quelles utilisations pour les gyroscopes ou gyromètres à fibre optique ?
Généralement utilisés en avionique, dans le spatial, dans la stabilisation de plates formes, dans le domaine de la défense terrestre et navale, ainsi que pour les applications de robotique sous- marine (AUV et ROV).
Les deux technologies LRG et FOG sont basées sur l’effet Sagnac. La différence est le mode de propagation de la lumière, dans la fibre pour l’une et les cavités résonantes pour l’autre.
Technologie LRG
Technologie FOG
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Comparatif des différentes technologies de gyroscopes et de gyromètres
La figure suivante permet de mettre en évidence les points forts et les points faibles des différentes technologies de gyroscopes et de gyromètres qui ont été présentées tout au long de cet article.
Technologies :
- Quartz Mems et CVG (ligne bleue claire)
- RLG gyromètre laser (ligne rouge)
- FOG fibre optique (ligne orange)
- SMG / VSG (ligne verte)
- SiMems (ligne bleue foncée)
Spécifications :
- Précision
- Stabilité
- Bruit résiduel
- Prix
- Durée de vie
- Coût opérationnel
- Dimensions
- Poids
-
Techno. Gyro.
Précision
Stabilité
Bruit résiduel
Prix
Durée de vie
Coût opérat.
Dim.
Poids
-
Précision : 5
Stabilité : 5
Bruit résiduel : 5
Prix : 4
Durée de vie : 5
Coût opérationnel : 5
Dimensions : 4
Poids : 4
-
Précision : 5
Stabilité : 5
Bruit résiduel : 3
Prix : 3
Durée de vie : 3
Coût opérationnel : 3
Dimensions : 2
Poids : 2
-
Précision : 5
Stabilité : 5
Bruit résiduel : 3
Prix : 3
Durée de vie : 3
Coût opérationnel : 3
Dimensions : 2
Poids : 2
-
Précision : 4
Stabilité : 4
Bruit résiduel : 3
Prix : 4
Durée de vie : 3
Coût opérationnel : 3
Dimensions : 4
Poids : 4
-
Précision : 2
Stabilité : 1
Bruit résiduel : 1
Prix : 5
Durée de vie : 5
Coût opérationnel : 5
Dimensions : 5
Poids : 5
Gyromètres vibrants Quartz MEMS et CVG
Total : 37 points (sur 40)
Points forts : faible coût opérationnel, durée de vie, précision, stabilité, bruit
Points faibles : dimensions, poids
Gyromètres SMG / VSG (MEMS)
Total : 29 points (sur 40)
Points forts : précision, stabilité, coût
Points faibles : bruit, coût opérationnel, durée de vie
Points très faibles : dimensions, poids
Gyromètres SiMems (Silicon MEMS)
Total : 29 points (sur 40)
Points forts : très faible coût, dimensions, poids, durée de vie
Points faibles : précision
Points très faibles : bruit, stabilité
Gyromètres RLG (gyrolasers)
Total : 26 points (sur 40)
Points forts : stabilité, précision
Points faibles : bruit, durée de vie, coût opérationnel
Points très faibles : dimensions, poids
Gyromètres FOG (fibre optique)
Total : 26 points (sur 40)
Points forts : stabilité, précision
Points faibles : bruit, durée de vie, coût opérationnel
Points très faibles : dimensions, poids
En conclusion de ce comparatif
On constate que les technologies Ring Laser Gyro (RLG) et Fiber Optical Laser (FOG) ont les meilleures spécifications en stabilité et précision.
La technologie Quartz Mems CVG est très proche en stabilité et précision des modèles RLG et FOG mais avec un coût (achat et opérationnel) moins élevé.
La technologie SiMems est inférieure en stabilité et précision mais présente de gros avantages en termes de facilité de production, fiabilité, tenue en environnement et coût.
Enfin, la technologie SMG possède des spécifications moyennes.
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Nos conseillers Alliantech sont à votre écoute pour vous aider à choisir le gyroscope ou le gyromètre le plus adapté à vos applications.
Exemples d'applications des gyroscopes et des gyromètres selon leurs spécifications
L’intérêt de ce schéma est de montrer les spécifications nécessaires selon les applications et d’indiquer les technologies pouvant les assurer.
Remarque : Une autre technologie récente telle que HRG n’est pas mentionnée. Néanmoins, de par ses spécifications, elle peut se situer dans la partie High Performance, High cost, Low Volume.
Spécifications des gyroscopes hautes performances, à coût élevé et à faible quantité
La stabilité du biais et le facteur d’échelle sont les performances les plus importantes, mais le coût sera très élevé et la quantité faible !
Entre ces deux extrêmes se trouve une large place nécessitant quand même de bonnes spécifications concernant la stabilité du biais et du facteur d’échelle.
Cinq spécifications sont critiques pour des applications hautes performances.
Angle Random Walk (ARW)
Dans le signal de sortie du gyro, il y a toujours un élément « bruit blanc » large bande. Angle Ramdon Walk décrit l’erreur résultante de ce « bruit » qui peut être évalué.
Les composants actifs du gyro sont les contributeurs principaux du bruit diode pour les gyros optiques, élément vibrant et système de détection pour les gyros MEMS.
Bias Offset Error
Pour une rotation nulle, le signal de sortie du gyro devrait être nul. Le signal alors mesuré à une température de 25°, pour une rotation nulle, est le Bias Offet Error.
Bias Instability
C’est la variation du bias offset error mesurée à une température et conditions d’environnements constants.
Temperature sensitivity
Les performances du gyro changent avec les variations de température.
Il peut être nécessaire de connaitre ces variations pour s’assurer que le gyro reste dans la précision globale nécessaire.
Shock and vibration sensitivity
Noise et bias offsets peuvent être dégradés par les vibrations et chocs.
La « tenue » aux vibrations est critique pour beaucoup d’applications civiles et militaires.
Spécifications des gyroscopes faibles performances, à faible coût et à grandes quantités
La stabilité du biais et le facteur d’échelle sont très largement relâchés, mais pour un faible coût.
Exemples de spécifications pour différentes technologies de gyroscopes et de gyromètres
-
Techno. Gyro.
IMU de niveau tactique
Gyro Bias (deg/hr)
Gyro ARW (deg/√hr)
Dimensions (pouces cubiques)
Poids (livres)
Puissance (W)
-
IMU de niveau tactique : Oui
Gyro Bias (deg/hr) : 1
Gyro ARW (deg/√hr) : 0,02
Dimensions (pouces cubiques) : 19
Poids (livres) : 1,3
Puissance (W) : 5
-
IMU de niveau tactique : Oui
Gyro Bias (deg/hr) : 1
Gyro ARW (deg/√hr) : 0,12
Dimensions (pouces cubiques) : 33
Poids (livres) : 2
Puissance (W) : 6
-
IMU de niveau tactique : Oui
Gyro Bias (deg/hr) : 1
Gyro ARW (deg/√hr) : 0,07
Dimensions (pouces cubiques) : 32
Poids (livres) : 1,65
Puissance (W) : 12
-
IMU de niveau tactique : Non
Gyro Bias (deg/hr) : 10
Gyro ARW (deg/√hr) : 0,06
Dimensions (pouces cubiques) : 17
Poids (livres) : 1,1
Puissance (W) : 3
-
IMU de niveau tactique : Non
Gyro Bias (deg/hr) : 20
Gyro ARW (deg/√hr) : 0,09
Dimensions (pouces cubiques) : 5
Poids (livres) : 0,35
Puissance (W) : 3
Quelques applications pour les gyroscopes et les gyromètres
Navigation
En association avec d’autres capteurs, accéléromètres, magnétomètres ou gyroscopes de différentes technologies (classe navigation ou tactical grade), pour déterminer la position, la vitesse et l’attitude d’un véhicule : satellites, engins, avions, bateaux, sous- marins…
Pour cette application, il s’agit de différents types de centrales inertielles appelées :
- IMU (Inertial Measurement Unit pour unité de mesures inertielles) : accéléromètres, gyroscopes
- VRU (Vertical Reference Unit pour unité de référence verticale) : accéléromètres, gyroscopes, altimètre
- AHRS (Attitude and Heading Reference System pour système de référence d’attitude et de cap) : accéléromètres, gyroscopes, altimètre, magnétomètre, filtre de Kalman
- GNSS-INS (GNSS-Aided Inertial Navigation System pour système de navigation inertielle assistée ou centrales inertielles GPS) : accéléromètres, gyroscopes, altimètre, magnétomètres, filtre de Kalman et récepteur GNSS.
Robotique
Pour aider les robots à maintenir leur équilibre et déplacement selon les obstacles.
Stabilisation, jeux et autres
Pour stabiliser les systèmes tels que les caméras, télescopes et drones.
Pour le contrôle de jeux vidéos et les systèmes de réalité virtuelle.
Pour les applications médicales.
RCWS
Optronnic Pods & Target Acquisition
Antenna Stabilization
Gun Platform
Trains - Stabilization and Tilting Systems
Unmanned Vehicles
Gun Turrets
AHRS & Flight Instrumentation
LEO Satellites
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Auteur : Marc Chambroux, consultant Mesure et Système
