La centrale inertielle

Sommaire

Qu'est-ce qu'une centrale inertielle ?

Une centrale inertielle est un système de navigation qui fournit l’orientation d’un mobile dans un espace 3D. Aussi appelée centrale à inertie, cette technologie est parfois désignée sous différents sigles : IMU (« Inertial Measurement Unit » ou « Unité de mesure Inertielle ») ou INS (« Inertial Navigation System »).

Suivant les versions, les données calculées sont le roulis, le tangage, le lacet et le pilonnement (mesure de houle). La position, la vitesse et le cap sont mesurés grâce à l’intégration d’un récepteur GNSS interne.

Centrale inertielle avec le cap roulis et tangage

Comment fonctionne une centrale inertielle ?

Une centrale inertielle est conçue pour obtenir en temps réel des mesures d’orientation précises (de 1° à 0,001°) et stables sur la durée pour tout type d’application.

 

Les mesures d’orientation, de vitesse et de position, décrites précédemment vont particulièrement aider à la navigation et à corriger les mouvements du mobile dans une chaine d’acquisition globale (applications de bathymétrie, photogrammétrie, etc.).

Découvrez nos gammes de centrales inertielles

Les différentes versions de centrale inertielle

Centrale inertielle avec récepteur GNSS interne

Certaines centrales inertielles sont pourvues de récepteur GNSS interne pour renforcer le calcul inertiel d’orientation en y ajoutant les mesures de positions et de vélocité GNSS.

 

Dans certains cas, notamment lors d’une perte de signaux par le récepteur GNSS interne ou externe (lors d’un passage sous un pont, au pied d’un quai ou d’une grande infrastructure), une centrale inertielle de navigation prend le relais du système GNSS* pour entretenir une position GNSS RTK centimétrique. On appelle ce principe « dead reckoning » ou « navigation à l’estime ».

Quelle est la différence entre une centrale inertielle d’attitude et une centrale inertielle de navigation ?

Une centrale inertielle de navigation comporte un récepteur GNSS, interne ou externe, visant à obtenir des données de navigation et de vitesse en complément des mesures d’orientation. Elle utilise des gyroscopes et des accéléromètres, tandis qu’une centrale inertielle de cap ou d’attitude ne délivre que les informations de roulis, tangage, lacet et parfois le pilonnement.

Centrale inertielle avec technologie MEMS

Le terme MEMS est un acronyme pour « Micro Electro Mechanical Systems » signifiant « systèmes micro électromécaniques ».

Une centrale inertielle à base de technologie MEMS (gyroscopes, accéléromètres, magnétomètres) facilite la fabrication de centrales inertielles miniatures en grande quantité, en facilitant ainsi leur intégration dans les systèmes les plus compactes : montre, manette de jeu vidéo, casque, drone, caméra, etc. Les gammes de centrales inertielles Xsens et centrales inertielles SBG Systems utilisent cette technologie MEMS.

Que comprend une centrale inertielle ?

La centrale inertielle est un capteur qui comprend une unité de mesure sur 3 axes composée de 3 accéléromètres, 3 gyromètres et un calculateur pour délivrer les informations d’orientation.

 

On retrouve dans les centrales inertielles d’entrée de gamme à base de technologie MEMS : 3 accéléromètres, 3 gyroscopes et 3 magnétomètres (lorsqu’un cap est nécessaire) répartis sur les 3 axes X, Y et Z. Les versions haut de gamme intègrent des technologies d’accéléromètres et de gyroscopes plus précises, de sorte à s’affranchir des magnétomètres.

La combinaison de ces différents capteurs détermine la position et l’orientation d’un appareil de manière précise et rapide avec une faible dérive dans le temps.

 

En complément des composants cités précédemment, une centrale inertielle intègre un calculateur avec des algorithmes plus ou moins évolués, le filtre de Kalman (ou filtre de Kalman étendu – EKF) ; celui-ci aide à estimer une orientation grâce à ses algorithmes, spécifiques pour chaque constructeur, appliqués aux mesures d’accélération, de giration, voire de magnétisme issues de la centrale inertielle.

Que signifie le terme AHRS ?

AHRS est un acronyme pour « Attitude and Heading Reference System » signifiant en français « Système de référence d’attitude et de cap ». Cette version fournit les informations d’attitude et de cap.

Que signifie le terme VRU ?

Le sigle VRU est un acronyme anglais pour « Vertical Reference Unit » ou « Unité de référence verticale ». Cette version de centrale fournit principalement des informations de Roulis et de Tangage, ainsi qu’une information de lacet issue des gyroscopes.

Que signifie le terme IMU ?

Le sigle IMU est un acronyme anglais pour « Inertial Measurement Unit » ou « Unité de mesure inertielle ». Cette version de centrale fournit uniquement les données brutes, et les données calibrées en température.

Qu’est-ce qu’un gyrocompas ?

Le gyrocompas est un instrument de navigation intégrant un gyroscope et équipant des systèmes à faible vitesse, principalement des navires. Similaire à la boussole, ce capteur indique le nord géographique de manière indépendante du champ magnétique terrestre, par une mesure précise de la rotation de la terre.

Exemple de la toupie

Parfois dénommés « Chercheur de Nord », les gyrocompas calculent un cap géographique sans l’aide d’un récepteur GNSS, et uniquement d’un gyroscope de technologie mécanique, électromécanique (MEMS, gyro hémisphérique résonnant…), optique (gyro laser, gyro à fibre optique).

Elles fournissent des données de Cap Vrai précises au dixième de degré, quelle que soit la complexité de l’environnement (sur l’eau, sous l’eau, sous terre…) et de la dynamique (applications multiples : AUV, navire de servitude, véhicule tout-terrain…).

Les gyrocompas se retrouvent dans nos gammes de centrales inertielles iXblue, Safran et Sonardyne.

Qu’est-ce qu’un gyroscope ?

Le gyroscope est un capteur qui mesure la vitesse de rotation sur un axe. Cette vitesse de giration évolue suivant les mouvements de la centrale inertielle.

Les versions les plus performantes sont capables de mesurer la rotation terrestre, pour en déduire une information de cap.

Pour obtenir une mesure en trois dimensions, on utilise alors un ensemble de 3 gyroscopes formant un gyromètre triaxial.

Qu’est-ce qu’un accéléromètre ?

Comme son nom l’indique, l’accéléromètre est un capteur mesurant l’accélération non gravitationnelle linéaire du mobile sur lequel il est fixé, c’est-à-dire l’accélération du mouvement.

 

Cette information est utile pour obtenir ensuite des données sur la vitesse, le déplacement, les vibrations et les chocs de l’appareil, peu importe sa taille.

 

Après l’accéléromètre piézoélectrique c’est désormais l’accéléromètre MEMS qui est le plus utilisé de nos jours.

 

Pour obtenir une mesure en trois dimensions, on utilise alors un ensemble de 3 accéléromètres formant un accéléromètre triaxial.

Qu’est-ce qu’un magnétomètre ?

Un magnétomètre est utilisé pour mesurer la direction et l’intensité du champ magnétique terrestre. L’utilisation de plusieurs magnétomètres participe au calcul d’un cap magnétique. Ce dernier est différent du cap géographique, ou cap vrai, de quelques degrés (déclinaison magnétique), le Nord magnétique terrestre se déplaçant régulièrement sur la surface de la Terre. A noter que les magnétomètres peuvent être perturbées par des masses métalliques, du courant, des aimants, etc.

Que comprend une installation avec une centrale inertielle ?

Dans un système global d’acquisition de données, l’installation varie selon le type d’application, cependant la plupart sont équipés d’une centrale inertielle, d’un système GNSS et de capteurs complémentaires :

L’installation d’une centrale inertielle dans un système global d’acquisition de données requiert une calibration fine du capteur, tenant compte de la position de chaque point de mesure sur le mobile (mesure des bras de leviers, position par rapport au point de référence du bateau, etc.)

Dans quel type d’applications utiliser une centrale inertielle ?

Quelle que soit le type de centrale inertielle, elle s’utilise dans des applications marines, sous-marines, terrestres et aériennes.

Véhicule autonome application Cadden avec la technologie Lidar
Voitures autonomes
UAV (drone aérien) ou ici USV (drone marin)
Sondeurs multifaisceaux R2Sonic avec mode haute résolution
Hydrographie / bathymétrie
Lidar 3D Hesai Pandar pour mobile mapping et navigation autonome
Mobile mapping
Pointage d'antenne - ©nasa

Les centrales inertielles de navigation sont privilégiées pour les applications marines et sous-marines, certaines sont disponibles en version étanche de manière à mesurer l’orientation au plus près des capteurs (centrales inertielles de navigation séries Ekinox et Apogée de SBG Systems ; centrales inertielles Octans, Phins et Hydrins d’iXblue ; Centrales inertielles Lodestar et Sprint de Sonardyne).

*GNSS : sigle représentant un système de positionnement par satellites combinant l’ensemble des constellations GPS (américain), GLONASS (russe), Beidou (chinois), Galiléo (européen).

Sources : futura-sciences.com

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