Unités de référence de mouvement (MRU)
Un capteur inertiel qui mesure le roulis, le tangage et le pilonnement d’un navire : comment il détermine le pilonnement, quelle est sa précision, où l’installer et comment la compensation active de pilonnement l’utilise.
- Une unité de référence de mouvement (MRU) est un capteur inertiel qui mesure les mouvements d’un navire : roulis, tangage et pilonnement, ainsi que, sur la plupart des unités, les mouvements horizontaux et les vitesses de rotation.
- Elle ne mesure pas directement le pilonnement. Elle intègre deux fois l’accélération verticale et filtre la dérive. La précision du pilonnement en temps réel est généralement de 5 cm ou de 5 % de son amplitude, selon la valeur la plus élevée ; celle du pilonnement différé, disponible quelques minutes plus tard, est de 2 cm ou de 2 % pour les unités de gamme intermédiaire.
- La précision du roulis et du tangage est généralement de 0.01 à 0.03° RMS, avec une fréquence de sortie pouvant atteindre 200 Hz.
- La MRU mesure le mouvement à son emplacement. La compensation active de pilonnement d’une grue exige le mouvement à la tête de grue : le contrôleur le transpose au moyen du bras de levier relevé lors du levé géométrique. Un compensateur passif n’a pas besoin de MRU.
Une unité de référence de mouvement est un capteur inertiel compact fixé à la coque, souvent près du centre de rotation du navire. Elle transmet les mouvements du navire de nombreuses fois par seconde. Le positionnement dynamique, les sonars de levé, les héliponts ainsi que les grues et passerelles compensées en mouvement utilisent ses données. Dans le levage en mer, elle fournit l’entrée de la compensation active de pilonnement.
Ce que mesure une MRU
Elle contient trois accéléromètres et trois gyromètres, un de chaque par axe. Les gyromètres mesurent la vitesse de rotation du navire. Les accéléromètres mesurent l’accélération linéaire et la direction de la pesanteur, ce qui empêche la dérive des angles. Un processeur combine ces mesures et fournit :
- Angles : le roulis et le tangage, mesurés par rapport à la pesanteur.
- Pilonnement : le déplacement vertical autour de la position moyenne du point, ainsi que la vitesse et l’accélération verticales.
- Vitesses et accélérations sur les trois axes, qu’un contrôleur utilise directement. Un système de positionnement dynamique utilise le roulis et le tangage pour corriger ses références de position.
Une MRU ne connaît pas la position du navire. Le pilonnement est mesuré par rapport à un niveau moyen, et non à une altitude absolue. Sur de nombreuses unités, le lacet n’est fourni que sous forme de vitesse de rotation ; le cap vrai provient d’un gyrocompas ou d’un compas GNSS. Les unités qui intègrent le positionnement GNSS sont commercialisées comme systèmes de navigation inertielle.
Les six mouvements
Un navire se déplace de six façons. Il effectue des translations suivant trois axes et des rotations autour de ces mêmes axes :
| Mouvement | Axe | Cause en mer |
|---|---|---|
| Cavalement | Suivant X, vers l’avant et l’arrière | Vagues de face ou de l’arrière ; dérive lente |
| Embardée | Suivant Y, transversalement | Vagues de travers ; dérive lente |
| Pilonnement | Suivant Z, vers le haut et le bas | Chaque vague ; mouvement atténué par un compensateur de pilonnement |
| Roulis | Autour de X | Mer de travers ; faible amortissement, d’où une amplification possible près de la période propre de roulis |
| Tangage | Autour de Y | Mer de face ou de l’arrière |
| Lacet | Autour de Z | Mer oblique ; maîtrisé par le système de positionnement dynamique ou le pilote automatique |
La réponse d’un navire à chaque période de vague est décrite par son opérateur d’amplitude de réponse (RAO) ; voir mouvements du navire et RAO.
Comment une MRU détermine le pilonnement
Une MRU ne possède pas de capteur de hauteur. Elle mesure l’accélération suivant ses propres axes, puis utilise le roulis et le tangage pour déterminer la composante verticale a_z, dont elle soustrait la pesanteur avant d’effectuer une double intégration :
Un biais s’amplifie rapidement lors de cette double intégration : une erreur de seulement 0.001 m/s² produit 1.8 m de faux pilonnement en une minute (\tfrac{1}{2} b t^2). Le processeur de pilonnement applique donc un filtre passe-haut au résultat. Il conserve les mouvements aux fréquences des vagues et élimine la dérive lente. Ce filtrage a un coût : près de sa fréquence de coupure, dans la houle de longue période, le pilonnement en temps réel perd une partie de son amplitude et est en avance de phase sur le mouvement réel. Pour un contrôleur, ces deux effets se traduisent par un mouvement résiduel.
C’est pourquoi la plupart des MRU fournissent deux sorties de pilonnement :
| Sortie | Mode de calcul | Utilisation |
|---|---|---|
| Pilonnement en temps réel | Filtré uniquement à partir des données passées, donc disponible immédiatement | Commande : compensation active de pilonnement et passerelles compensées en mouvement ; surveillance des mouvements des héliponts |
| Pilonnement différé | Filtré à partir des données situées avant et après chaque instant ; plus précis, il arrive toutefois avec quelques minutes de retard | Traitement a posteriori des données de levé et vérification de la sortie en temps réel |
Un contrôleur ne peut utiliser que le pilonnement en temps réel. Il lui faut autant la vitesse que la position : un compensateur actif commande son treuil ou son vérin en opposition à la vitesse de pilonnement, et une prédiction au-delà de la mesure compense le retard de l’actionneur.
Précision typique
Les fiches techniques de plusieurs fabricants indiquent des valeurs similaires pour les unités actuelles de gamme intermédiaire et supérieure :
| Sortie | Spécification typique | Points à vérifier |
|---|---|---|
| Roulis et tangage | 0.01 à 0.03° RMS | Valeur statique ou dynamique ; l’écart peut être de plusieurs fois |
| Pilonnement en temps réel | 5 cm ou 5 % de l’amplitude, selon la valeur la plus élevée | Les périodes de vagues concernées et le comportement dans la houle de longue période |
| Pilonnement différé | 2 cm ou 2 %, selon la valeur la plus élevée | Le retard, qui exclut son emploi pour la commande |
| Fréquence de sortie | Jusqu’à 200 Hz | La latence ne figure souvent pas dans la fiche technique : demander le délai entre la mesure et la sortie |
D’après des fiches techniques publiques, de 2020 à 2025. Les unités haut de gamme atteignent environ 0.008° et 1 cm ou 1 % pour le pilonnement différé. Il s’agit de valeurs typiques ; la fiche technique et les conditions d’essai de l’unité choisie font foi.
Pour un levage, l’erreur propre au capteur (5 %, soit environ 10 cm pour un pilonnement de 2 m) est rarement la plus grande. Les erreurs les plus importantes proviennent généralement d’ailleurs : bras de levier incorrect, installation désalignée ou signal lu au mauvais point.
Installation et bras de levier
La MRU indique le mouvement au point où elle est fixée. La tête de grue située à 30 m de là bouge beaucoup plus, car la rotation s’ajoute à son mouvement : un tangage d’un degré, proue haute, élève un point situé 30 m vers l’avant de
Le contrôleur transpose donc le mouvement du capteur O à la tête de grue P au moyen de la vitesse de rotation du navire \boldsymbol{\omega} et du bras de levier \mathbf{r}_{OP} qui les sépare :
Cette relation vaut pour un point fixe par rapport à la coque. Lorsque la grue pivote ou relève sa flèche, la tête de grue se déplace aussi par rapport à la coque ; le contrôleur ajoute cette vitesse à partir des capteurs d’angle de la grue. Un compensateur de pilonnement utilise la composante verticale, v_{P,z}. De nombreuses MRU peuvent aussi calculer le mouvement de points distants configurés à partir des mêmes décalages. Dans tous les cas, la précision dépend de l’installation :
- Choisir l’emplacement près du centre de rotation, sur une structure rigide, loin des moteurs et des autres sources de vibrations.
- Aligner l’unité sur les axes du navire et consigner tout décalage de montage : un capteur désaligné donne le roulis et le tangage autour des mauvais axes et transpose le mouvement au mauvais point.
- Relever les décalages entre la MRU et chaque point nécessitant une mesure de mouvement, puis vérifier les signes et les unités dans le repère du contrôleur.
- Prévoir les défaillances : une seconde MRU et une réaction définie en cas de perte de signal ou de signal invraisemblable, avant le levage et non pendant celui-ci.
Les MRU dans la compensation de pilonnement
Pour une grue équipée d’une compensation active de pilonnement, la MRU fournit le signal d’entrée. Le contrôleur prend le mouvement en temps réel, le transpose à la tête de grue, prédit son évolution pour compenser le retard de l’actionneur et commande le treuil ou le vérin en sens opposé. La stabilité de la charge dépend de toute la chaîne : précision et latence de la MRU, prédiction, vitesse et force de l’actionneur. Le capteur seul ne maintient pas le crochet immobile.
Un compensateur passif n’a pas besoin de MRU. Son ressort à gaz réagit directement à la charge ; il isole ainsi la charge du pilonnement de la tête de grue sans aucune mesure de mouvement. ANTARES, notre unité passive adaptative, ajoute une commande automatique de l’amortissement fondée sur ses propres capteurs, tandis que le soutien de la charge reste passif. VEGA, notre compensateur actif en ligne en cours de développement, associe une commande active du vérin pilotée par MRU à une commande automatique de l’amortissement. La comparaison entre compensation active et passive explique dans quels cas chacune convient.
IMU, VRU ou MRU
Les appellations se recoupent selon les fabricants, mais elles indiquent le niveau de traitement assuré par l’unité :
| Désignation | Données fournies | Utilisation typique |
|---|---|---|
| IMUunité de mesure inertielle | Accélération brute et vitesse de rotation sur trois axes | Le capteur intégré aux autres unités ; ses données nécessitent un traitement |
| VRUunité de référence verticale | Roulis et tangage, parfois pilonnement | Attitude des antennes et des capteurs, et surveillance simple des mouvements |
| AHRSsystème de référence d’attitude et de cap | Roulis, tangage et cap ; pas de pilonnement | Attitude et cap lorsque le pilonnement n’est pas nécessaire |
| MRUunité de référence de mouvement | Roulis, tangage et pilonnement traité, généralement aussi cavalement et embardée, ainsi que les vitesses sur les trois axes | Positionnement dynamique, levés, grues et passerelles compensées en mouvement |
| INSsystème de navigation inertielle | Données d’une MRU, plus position et cap vrai grâce au GNSS | Navigation et positionnement pour les levés |
Pour la compensation active, l’appellation importe moins que les données fournies : pilonnement en temps réel et sa vitesse, au point requis par le contrôleur, avec une latence indiquée.
Questions fréquentes
Qu’est-ce qu’une unité de référence de mouvement (MRU) ?
C’est un capteur inertiel fixé à un navire qui mesure ses mouvements : roulis, tangage et pilonnement, ainsi que, sur la plupart des unités, les mouvements horizontaux et les vitesses de rotation. Il combine trois accéléromètres et trois gyromètres avec un processeur, et fournit des données jusqu’à 200 Hz. Le positionnement dynamique, les levés et la compensation active de pilonnement utilisent son signal.
Comment une MRU mesure-t-elle le pilonnement ?
Elle mesure l’accélération suivant ses propres axes, détermine la composante verticale à l’aide du roulis et du tangage, soustrait la pesanteur, effectue une double intégration et applique un filtre passe-haut pour éliminer la dérive. Le pilonnement en temps réel est disponible immédiatement et sert à la commande ; le pilonnement différé tient compte de données ultérieures à chaque instant, ce qui le rend plus précis, mais il arrive quelques minutes plus tard et convient au traitement des levés.
Quelle est la précision d’une MRU ?
Valeurs typiques des fiches techniques : roulis et tangage de 0.01 à 0.03° RMS ; pilonnement en temps réel de 5 cm ou 5 % de l’amplitude du pilonnement (selon la valeur la plus élevée) ; pilonnement différé de 2 cm ou 2 % sur les unités de gamme intermédiaire. Les unités haut de gamme atteignent environ 0.008° et 1 cm ou 1 %. Vérifier si la valeur est statique ou dynamique, les périodes de vagues concernées et la latence.
Quelle différence y a-t-il entre une IMU, une VRU et une MRU ?
Une IMU fournit l’accélération brute et la vitesse de rotation. Une VRU les traite pour fournir le roulis et le tangage, parfois le pilonnement. Un AHRS ajoute le cap, mais pas le pilonnement. Une MRU fournit en outre le pilonnement traité, généralement aussi le cavalement et l’embardée, ainsi que les vitesses sur les trois axes. Un INS ajoute la position GNSS et le cap vrai.
Où faut-il installer une MRU ?
Près du centre de rotation du navire, sur une structure rigide à l’écart des vibrations, et alignée sur les axes du navire. Relever les décalages vers chaque point nécessitant une mesure de mouvement : le contrôleur transpose le mouvement à la tête de grue au moyen de ce bras de levier, et un tangage de 1° déplace un point situé à 30 m d’environ 0.52 m.
La compensation passive de pilonnement nécessite-t-elle une MRU ?
Non. Le ressort à gaz d’un compensateur passif réagit directement à la charge, sans mesure de mouvement. La compensation active de pilonnement nécessite une MRU, car son contrôleur commande le treuil ou le vérin en opposition au mouvement mesuré.
Fondements et sources
- Fiches techniques publiques d’unités de référence de mouvement de plusieurs fabricants, de 2020 à 2025 : précision du roulis, du tangage et du pilonnement, pilonnement différé, fréquences de sortie et points de surveillance distants.
- Cinématique du solide rigide pour la transposition par bras de levier, \mathbf{v}_P = \mathbf{v}_O + \boldsymbol{\omega} \times \mathbf{r}_{OP}.
- Articles du Centre de connaissances de Norwegian Dynamics sur la compensation active de pilonnement et les mouvements du navire.
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