Un gyroscope est un capteur qui mesure la vitesse de rotation par rapport à un référentiel inertiel. Par conséquent, il capture tous les changements d'orientation ultérieurs en cas de rotation. De plus, étant donné que le référentiel terrestre lui-même est en rotation, un gyroscope posé sur le sol détectera également la vitesse de rotation de la Terre, soit environ 15° par heure. Les gyroscopes expriment généralement leur sortie en degrés par seconde (°/s) ou en radians par seconde (rad/s).
Comment ça marche ?
Dans les applications pratiques, les systèmes intègrent les vitesses de rotation à haute fréquence pour déterminer l'orientation du capteur avec une grande précision. Par conséquent, ce principe constitue le fondement de tous les capteurs inertiels, y compris les gyroscopes verticaux, les systèmes de référence d'attitude et de cap (AHRS), les centrales de référence de mouvement (MRU) et les systèmes de navigation inertielle (INS).
De plus, ils jouent un rôle essentiel dans la détermination de la position et de la vitesse dans les cadres INS. De plus, les gyroscopes les plus performants, généralement les gyroscopes à fibre optique en boucle fermée (FOG), mesurent directement la rotation de la Terre sans avoir besoin d'une estimation du biais. Par conséquent, ces capteurs peuvent déterminer le cap sans dépendre d'une référence externe, une fonctionnalité connue sous le nom de gyrocompas. Cependant, d'autres techniques existent également pour déterminer le cap, ce qui contribue à réduire les contraintes strictes sur cette technologie.
Les effets Coriolis et Sagnac dans les gyroscopes
En ce qui concerne leur principe de fonctionnement, les gyroscopes SBG Systems utilisent deux effets physiques fondamentaux pour mesurer la rotation : l'effet Coriolis et l'effet Sagnac. Plus précisément, l'effet Coriolis est utilisé par les gyroscopes MEMS. Lorsqu'une masse d'épreuve vibre dans la direction X, une rotation autour de l'axe Z perpendiculaire génère une force qui provoque un mouvement le long de l'axe Y.
En conséquence, plusieurs architectures MEMS mettent en œuvre ce principe, généralement en utilisant des poutres ou des anneaux vibrants. Notamment, les performances réelles de ces gyroscopes varient en fonction de facteurs tels que la taille et la qualité des éléments MEMS, le conditionnement des capteurs et les techniques de traitement mécanique et du signal.
Les gyroscopes optiques, tels que les FOG, utilisent l'effet Sagnac pour mesurer la rotation. Dans cette méthode, deux sources lumineuses bouclent dans des directions opposées : l'une dans le sens des aiguilles d'une montre et l'autre dans le sens inverse. En l'absence de rotation, les ondes lumineuses arrivent simultanément ; cependant, en cas de rotation, un trajet s'allonge tandis que l'autre se raccourcit. Par conséquent, cela génère des interférences, qui peuvent être mesurées pour en déduire la vitesse angulaire.
Applications des gyroscopes dans la navigation inertielle
Ensemble, ces principes permettent aux gyroscopes de fournir des données de mouvement précises et fiables dans un large éventail d'applications.
Aviation
Dans l'aviation, ils sont essentiels à la navigation et à la stabilité des aéronefs. Ils sont utilisés dans les systèmes suivants :
- Indicateurs d'assiette : ces instruments affichent l'orientation de l'aéronef par rapport à l'horizon, aidant ainsi les pilotes à maintenir des angles de tangage et de roulis appropriés.
- Systèmes de pilote automatique : les gyroscopes fournissent une rétroaction aux systèmes de pilote automatique, permettant ainsi le contrôle automatique du cap, de l'altitude et de la trajectoire de l'aéronef.
- Systèmes de navigation inertielle (INS) : Les INS s'appuient sur des gyroscopes pour suivre le mouvement et l'orientation de l'aéronef, fournissant ainsi des informations de positionnement précises, même lorsque les signaux GPS ne sont pas disponibles.
Navigation maritime
En ce qui concerne la navigation maritime, les gyroscopes aident à maintenir la stabilité et le cap des navires et des sous-marins :
- Gyrocompas : les gyrocompas fournissent des informations directionnelles précises, indépendantes du champ magnétique terrestre, aidant ainsi les navigateurs à maintenir un cap stable.
- Les systèmes de stabilisation utilisent ces capteurs pour réduire le roulis et le tangage, améliorant ainsi le confort des passagers et assurant la sécurité.
Espace
Pour les engins spatiaux et les satellites, les gyroscopes sont essentiels pour l'orientation et le contrôle :
- Systèmes de contrôle d'attitude : les gyroscopes aident à contrôler l'orientation des engins spatiaux en fournissant des mesures précises des mouvements de rotation, ce qui est essentiel pour des tâches telles que l'amarrage, le positionnement et les manœuvres.
- Centrales de mesure inertielle (IMU) : Les IMU, qui comprennent des gyroscopes, assurent la navigation et la stabilisation afin de garantir un positionnement et un contrôle précis dans l'espace.