Brevet FR2502772A1 — publié le 19821001

PROCEDE ET DISPOSITIF DE MESURE DES TROIS COO,RDONNEES D'UN AERONEF EN POINT FIXE PAR RAPPORT A UN POINT AU SOL Le secteur technique de la presente invention est celui des moyens de mesure de la hauteur et de la pcsition d'un aéronef par rapport a un point fixe situé au sol. Dans un certain nombre de cas, et notamment pour des applications militaires, il est nécessaire que des aéronefs capables de rester en vol à des vitesses voisines de zéro, tels que des hélicoptères, restent en vol stationnaire au dessus d'un point au sol prédétermine. C'est notamment le cas pour des helicoptères procédant a des opérations de treuillage ou à des installations de charges lourdes, telles que des pylones en montagne ou des charges destinées à des plates-formes de recherche pétrolière off-shore Dans ces applications le pilote a besoin d'effectuer en permanence des petites variations relatives de position et de hauteur. Toutefois, il existe d'autres applications, et c'est le cas de l'observation militaire par hélicoptère, ou les conditions, soit d'ordre purement tactique, soit d'ordre météorologique (observation de nuit, par temps de brouillard et en regle générale par visibilité nulle) où il devient indispensable de maintenir longtemps avec précision une position préalablement choisie de l'aeronef par rapport au sol de façon à éviter des accidents regrettables, ou a pouvoir déterminer des ordres de tir..., avec une précision suffisante. On connaissait dans les essais en vol un dispositif de mesure de la hauteur de l'hélicoptère au dessus du sol, au moyen d'une corde de longueur predeterminee, reglabie manuellement, et lestée en extrémité basse, d'une chaine a maillons métalliques. Le poids suspendu à la corde, qui dépend essentiellement de la longueur de chaine qui ne repose pas sur le sol etait mesure par un dynamomètre place dans la cabine a 1 l'extrémité amont de la corde L'indication du dynamomètre était présentée au pilote qui devait actionner les commandes de l'hélicoptère pour que la chaine soit toujours à moitié reposée au sol. L'enregistrement d'une tension electrique issue du dynamomètre témoignait la qualité de la tenue de hauteur. Ce dispositif presente un certain nombre d'inconvénients il n'est pas autonome et son point de contact avec le sol n'est pas fixe. D'autres systemes connus a ce jour, permettant d'effectuer du vol stationnaire par rapport au sol reposent sur l'emploi d'une radio-sonde pour la hauteur et sur un système de navigation pour la position, ce système tant soit a base d'inertie, soit de radar Doppler, soit d'un couplage des deux. Les meilleurs réalisations a ce jour sont toutes affectees d'une dérive en vitesse de l'ordre de 0,5 m/s. Cela exclut la possibilité de rester, (même avec un contrôle automatique) plus de quelques secondes dans un espace restreint de l'ordre du diamètre du rotor, ce qui semble exclure définitivement la possibilité pour un pilote de faire autre chose que du pilotage (et encore a condition de voir à l'extérieur) dans une mission qui peut exiger de rester 10 minutes ou plus en vol stationnaire très precis. L'invention a donc pour but de présenter un procède et un dispositif qui évitent cet inconvenient et permettent des utilisations de durée illimitée, par exemple de l'ordre de une demi-heure à une heure en realisant automatiquement l'ajustement de la longueur d'une corde enroulée sur un treuil de façon que 1 'extrémité aval repose de façon pratiquement inamovible sur le sol. L'invention a donc pour objet un procédé de mesure des trois coordonnées d'un aéronef notamment d'un hélicoptère devant effectuer un point fixe à hauteur sensiblement constante par rapport à un point au sol préalablement choisi à vue au moyen d'un câble lesté déroulé au moyen d'un treuil commandé par un moteur à double sens de rotation, et dont le lest repose au sol, procédé selon lequel :: - on mesure la tension du câble au moyen d'une balance de torsion permettant la mise en rotation du moteur du treuil dans un sens ou dans l'autre de façon à réaliser l'asservissement de la tension du câble - on mesure la hauteur du câble déroulé, au moyen d'un capteur de position angulaire lié mécaniquement au tambour du treuil et on sélectionne la mesure de hauteur prise lorsque le câble est tendu àr..une valeur prédéterminé corres- pondant à une position où le lest repose juste sur le sol, et - on mesure la position du câble par rapport deux axes orthogonaux d'un plan horizontal lié à l'aéronef au moyen d'un dispositif de mesure comprenant en combinaison deux fourchettes orthogonales coulissantes liees à des capteurs de position et deux capteurs de mesure de position angulaire des assiettes longitudinale et laterale. L'invention a également pour objet un dispositif de mesure des trois coordonnées d'un aéronef notamment d'un helicoptère, devant effectuer un point fixe à hauteur sensiblement constante par rapport à un point au sol déterminé, au moyen d'un câble lesté deroulé au moyen d'un treuil commandé par un moteur à double sens de rotation, dispositif qui comporte en combinaison un moyen de mesure de la longueur du câble déroulé lorsque le lest repose au sol et un moyen de mesure de la position du câble dans un repère orthogonal situe dans un plan horizontal lié à l'aéronef. L'invention sera mieux comprise à la lumière du complément de description qui va suivre et des planches de dessins annexees qui représentent de façon non limitative un mode de réalisation, planches parmi lesquelles: figure 1 montre un hélicoptere effectuant un point fixe a faible hauteur dans les conditions d'utilisation de l'invention; - la figure 2 représente de façon schématique un mode de realisation de l'invention - la figure 3 montre une variante de réalisation des moyens de mesure de la position du câble dans un repère lié à l'aéronef; - la figure 4 indique un mode de réalisation du boîtier de commande 14 de la figure 2 selon une logique à relais. Ainsi que le représente la figure 1, lorsque un aéronef reste en vol stationnaire au dessus d'un point fixe P et à une hauteur L faible, il est important pour son pilote de connaître avec précision cette hauteur L et ses coordonnées x et y par rapport à un repère X Y Z fictif au sol. Pour ce faire, on dispose un cable 1 muni d'un lest 2 qu'on laisse filer au moyen d'un treuil 3 au moyen d'une réduction 24 de préférence irréversible (ceci afin d'éviter la descente de la charge en cas de panne électrique), jusqu'à ce que le lest vienne toucher le sol au point P choisi. Le lest 2 est choisi de telle sorte que sa masse soit supérieure a dix fois la masse totale du câble 1 de façon que la longueur de câble déroulée n'influe pas notablement sur le dispositif d'asservissement dont il sera fait mention ultérieurement. Le tambour 15 du treuil sur lequel sont enroulés 30 mètres de fil (nylon) peut faire loo tours, entraînant par une réduction 28 de l/lo un potentiomètre 16 de mesure de longueur de fil déroulé (10 tours de mesure). L'écrou 25 en fin de course1 vient actionner l'un ou l'autre des deux micro-contacts 26 et 27 respectivement de fin de course descente et fin de course montée. En outre, on choisira la nature, la forme et la fragmentation du lest en fonction des utilisations prévues. Ainsi on pourra choisir pour lest un sac toilé chargé de sable et capable de rester en place même sur des sols très pentus ou inégaux. La division de la charge, soit en chapelets, soit en paquets montés sur balances peut permettre de résoudre les problèmes d'adhérence sur tous types d'obstacles. De façon générale, le dispositif selon l'invention comporte un moyen de mesure de la longueur du câble 1 déroulé lorsque le lest 2 repose au sol qui, pour ce faire comporte luinême un élément d'asservissement du derou lement du câble, a sa propre tension. Cet asservissement est principalement constitué par un balance de torsion 4 composee de deux poulies 5 et é montées folles sur un arbre 7 lui-meme monté pivotant sur un axe d de pivotement situé entre les deux poulies 5 et 6 et a égale distance de chacune d'elles. L'arbre 7 comporte sur son extrémité des moyens 10 aptes à actionner deux microrupteurs 11 et 12 disposés de telle sorte que le contact soit établi entre le bras et l'un ou l'autre des microrupteurs à chaque extrémité du débattement angulaire de l'arbre 7 autour de son axe. Le microrupteur 11 commande le moteur à double sens de rotation 13 du treuil 3 dans le sens de la remontée du câble tandis que le rupteur 12 commande ce même treuil dans le sens de la descente. On a représenté sur les figures 2 et 3 dans deux variantes les microrupteurs 11 et 12 installés soit sur une extremité de l'arbre, soit sur l'autre extrémité sans que cela représente une quelconque importance sur le fonctionnement de l'invention. La balance constituée par l'arbre 7 et les poulies 5 et 6 comporte des moyens 14 destines à assurer la valeur de la tension du câble C et la stabilité dynamique de l'asservissement, ces moyens 14 pouvant être constitues par un ensemble de ressorts et de sispositifs à friction qui assurent un seuil de fonctionnement. Le câble 1 enroulé sur le tambour 15 passe donc sous la poulie 5 puis sur la poulie 6 puis dans un moyen de mesure des coordonnées x, y (qui sera décrit par la suite) avant de recevoir son lest 2. Les microrupteurs 11 et 12 sont reliés au moteur 13 par un boitier de commande 14 électrique qui permet d'assurer - la mise sous tension de l'appareil ; - la montée et la descente manuelle du câble - le fonctionnement automatique tel que décrit selon l'invention - l'arrêt automatique du treuil en fin de course. Pour ce faire, le moteur à excitation permanente 19 est alimenté en tout ou rien par une source de tension 28 volts continu (classique sur aéronef) par son induit, soit par une polarité +/- soit par une polarite -/+, au moyen de deux relais 30 et 31. - les deux relais 30 et 31 sont d'un type électromécanique classique à bobine armature et contacts repos/travail, qui selon une variante pourraient être rempla cès par des commutations statiques à transistors. - le relais 30 sert - à mettre sous tension le moteur en position travail, par le jeu de contacts T1 / T2. - a mettre le moteur en court-circuit en position repos, par le jeu de contacts R1/ R2. La mise en court-circuit réalise un freinage efficace du moteur. Ce relais 31 sert a inverser la polarite de l'alimentation du moteur - montee en position repos - descente en position travail. Ces relais 30 et 31 peuvent être excités par leur alimentation en tension 28 volts entre + et - ; une résistance R1 / R2 est intercalée dans le circuit du negatif. Dans ce cas les relais "collent" et sont en position travailla désexcitation des relais peut se faire - soit par coupure sur le + - soit par l'amenée d'un + sur le côté de la résistance R1 (ou R2) relié au relais.R et R sont prévus pour permettre cette possibilité. Un interrupteur 32 à 3 positions stables permet à l'experimentateur le choix de 3 possibilités - fonctionnement automatique - fonctionnement manuel - arrêt. Un fusible de 5 ampères protège l'installation. Lorsque l'interrupteur 32 est en position "Arrêt", le courant est coupé. Le moteur 13 ne peut tourner, même si la charge est présente, à cause de l'irrjversi- bilité mécanique du réducteur 24. Lorsque l'interrupteur 32 est en position "Automatique", a)le relais 30 est désexcité, si la balance est en position central, par le + qui passe par les deux contacts repos 10 et 11 ; c'est la position d'équi- libre où poids suspendu de la charge 2 est juste égal à la réaction du ressort 14 de la balance; b) si la charge est entièrement pendue au treuil,le contact 10 passe en travails coupe le + qui désexcitait 30, donc 30 s'excite. Le moteur 13 est alimenté avec la polarité qui dépend de l'état de 31. Le relais 31 reçoit : un + paricontact 26 en position repos, en supposant que le treuil n'est pas entièrement déroulé (sinon 26 serait en travail) - ne reçoit pas de +, côte R2 Donc 31 est excite, ce qui implique, par contruction, une polarite d'alimentation du moteur 13 dans le sens "Descente". La charge rejoint le sol et lorsque elle repose "a demi" sur le sol on revient a l'état décrit en a). Si la charge repose entièrement au sol - le contact il passe en travail et permet l'excitation du relais 30. Le relais 31 reçoit toujours le + par le contact 26 mais également un + sur R2 par le contact travail de il et le repos de 27 (on suppose ne pas être complétement enroule). Donc 31 est désexcité et le moteur 13 reçoit la polarite qui lui fait monter la charge. - Si, au cours de la montée , le contact 27 vient en position travail il y a coupure du + de désexcitation de 31 donc mise en déscente automatique du treuil, ou, a la limite, arrêt, si la balance est å l'équilibre. Ceci est une protection de fin de course, nécessaire pour ne pas détériorer le treuil (charge dans la poulie). - Si, au cours de la descente, le contact 26 vient à sa position travail (fil entièrement deroulé)le + d'excitation de 31 est coupé et celui-ci passe au repos, commandant une "Montée" automatique du treuil,lequel, si l'hélicoptère ne change pas de hauteur, continuera àoeciller de quelques décimètres sur le jeu ouverture-fermeture de 26. (idem pour 27). Lorsque l'interrupteur 32 est en position "Manuel" un + est amené en permanence sur le côté R du 31 qui reste désexcité en perma 2 nance et ne peut que commander une pontée Seule la mise en travail de 27 commandera la désexcitation de 30 donc l'arrêt du treuil. Cette position servira alors à "rentrer" la charge G lorsque la mission est terminée. Le moyen de mesure de la bngueur du câble deroulé comporte comporte également un capteur de mesure de la position angulaire du tambour 15 du treuil. Ce capteur peut être constitué ainsi que le montre la figure 2 par un détecteur de position angulaire 16 de type potentiometrique ou synchrotransmetteur attelé à un arbre 17 relié par une réduction a engrenage 2d à l'axe du treuil 3 de telle façon que l'on dispose de 300 degrés environ pour un déroulement complet du câble. Des contacts électriques 26 et 27 de fin de course du treuil peuvent être liés a l'axe 19 du détecteur 16. Le dispositif selon l'invention est complété par un moyen de mesure de la position angulaire du câble dans un repère orthogonal situé dans un plan horizontal lié a l'aéronef, les assiettes longitudinale et laterale i F étant mesurées par des accéléromètres 33 et 34 disposés selon les axes X'o et 'o liés à l'hélicoptère. On pourra ainsi mesurer l'angle (I (figure 3) que fait le câble avec le rèftrentiel choisi ou encore mesurer directement les coordonnees X et Y du câble dans ce repère au moyen de deux capteurs de position angulaire 20 et 21 lies a des fourchettes orthogonales 22 et 23 au droit d'une lumière circulaire 24 par l'intermediaire de laquelle le câble traverse le plancher 25 de l'aéronef. Les dimensions des fourchettes sont ajustées au diamètre du câble utilisé et leur débattement angulaire est de l'ordre de + 300environ. Les fourchettes ensserent le câble et le suivent dans ses déplacement angulaires autour des axes X et Y. A la mise sous tension de la fonction automatique, le moteur 13 est alimenté dans le sens "descente du treuil" par le contact 12 de la balance qui supporte la force due au poinds total de la charge 2 et se trouve donc sur sa butée car le moment de réglage créé par 14 est nettement inférieur au moment du au lest 2. La charge 2 descend à la vitesse maximale du treuil (2 m/s environ. Dès que la charge est supportée par le sol, la balance 5, 6, 7, sollicitéepar le moment de 14, bascule vers son autre butee 11, qu'elle atteint si toute la charge du lest 2 disparaît du câble. Dans ce cas, le moteur 13 est alimenté dans l'autre sens et le treuil 15 remonte la charge 2 jusqu'a ce que la balance accuse une rotation en sens inverse et stoppe le moteur, ce qui bloque le treuil, en raison de l'irréversibilité de la réduction 28. La stabilité dynamique de l'ensemble, nécessaire pour que, en l'absence de toute variation réelle de hauteur,le moteur 13 n'oscille pas, est assurée d'une part par le jeu réservé entre les deux positions extrêmes de la balance (plage morte) par les dispositifs de friction ou d'amortissement 7, d'autre part par la forme de la charge 2 qui ne transmet que progressivement son poids au sol lorsque elle est soulevée ou descendue. En fait, même une oscillation permanente du treuil n'est pas prejudiciable, et ne doit pas l'être, car,en utilisation, la hauteur de l'he- licoptère varie sans cesse de petites quantités. Si l'hélicoptère avance, recule ou se translate latéralement par rapport au point de repos au sol de la charge, la traction sur le câble croit, la balance 5, 6, 7, actionne le moteur 13 dans le sens a dérouler le câble, lequel restera donc toujours également tendu, entre les deux limites de réglage de la balance, permettant ainsi auXdeux fourchettes F de donner correctement l'orientation du câble par rapport a la structure sur laquelle elles sont fixées. L'orientation du câble est formee par les -deux angles a et b qu'il fait avec les plans de référence aéronef XZ et YZ. Pour obtenir les angles a' et b' qui fait le câble avec un plan horizontal, on combine les signaux a et b avec les informations c et d P gnant de deux capteurs 33 et 34 d'assiette longitudinale et latérale de la plateforme aéronef XY, ces capteurs pouvant être des niveauX pendulaires ou des accéléromètres. L'extrémité aval du câble repose donc toujours juste sur le sol et le système ainsi mis au point permet de se passer de toutes les opérations manuelles de fixation de longueur de corde et de chaîne, l'information fournie au pilote étant la longueur de corde déroulée et la position de celle-ci dans un repère fixe. La fonction ainsi réalisée correspond donc a l'eui- valent de celle d'une radiosonde. La presente invention s'applique donc particulierement aux mesures de hauteur et de position nécessaires aux essais en vol mais aussi à bien d'autres objectifs tels que des missions d'observation ou de tir de longue duree au moyen d'aéronefs en point fixe a très faible altitude dans de mauvaises conditions de visibilité. Il va sans dire que l'invention ne se limite pas aux simples variantes d'execution decritesplus haut mais s'etend egalement a tous leurs equivalents, et que notamment la forme de la lumiere 26 et le type des capteurs 20, 21, la réalisation de la balance 5; 6, 7 peuvent subir des modifications sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Procede de mesures des trois coordonnees d'un aéronef notamment d'un helicoptere, devant effectuer un point fixe a hauteur sensiolement constante par rapport a un point au sol determine, au moyen d'un treuil commande par un moteur (13) a double sens de rotation, et dont le lest (2) repose au sol, procede caractérise en ce que - on mesure la tension du câble (2) au moyen d'une balance de torsion (5,6,7) permettant l'asserv issement de la mise en rotation du moteur du treuil dans un sens ou dans l'autre suivant la tension du câble - lorsque le câble est tendu à une valeur prédéterminée correspondant d la tension du câble lorsque le lest est posé au sol, on mesure la hauteur de câble deroulé au moyen d'un capteur (16) de position angulaire lié mécaniquement au tambour (15) du treuil, et - on mesure la position du câble par rapport a deux axes orthogonaux (X,Y) d'un plan horizontal lié a l'aéronef au moyen d'un dispositif de mesure comprenant en combinaison deux fourchettes (22, 23) orthogonales rotatives liees a des capteurs de position angulaire (20, 21) et deux capteurs d'assiette longitudinale et latérale (33, 34) de la plate-forme de l'aeronef. 2 - Dispositif de mesure des trois coordonnées d'un aeronef, notamment d'un helicoptère, devant effectuer un point fixe a hauteur sen siblement constante par rapport à un point au sol determiné, au moyen d'un câble lesté déroulé au moyen d'un treuil (15) commandé par un moteur d double sens de rotation, dispositif caractérisé en ce qu'il comporte en comninaison un moyen de mesure (16) de la longueur du câble déroulé lorsque le lest repose au sol et un moyen de mesure de la position du câble dans un repère orthogonal (22,23) situé dans un plan horizontal lié à l'aéronef. 3 - Dispositif de mesure selon la revendication 2, caractérise en ce que le moyen de mesure de la longueur du câble déroulé comporte un élément d'asservissement (5,6,7,14) du déroulement du câble à la tension de celui-ci. 4 - Dispositif de mesure selon la revendication 3 caractérise en ce que l'élément d'asservissement comporte une balance de torsion comprenant deux poulies (5,6) disposées sur un arbre (7) monté pivotant sur un axe situé d egale distance des deux poulies, le câble venant se disposer sous la première poulie (5) puis sur la seconde (6) et faisant pivoter en fonction de sa tension l'arbre autour de son pivot. 5 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'une extrémité de l'arbre pivotant comporte des moyens (10) aptes a actionner deux microrupteurs (11, 12) disposés de part et d'autre de l'arbre et entraînant la mise en rotation du moteur (13) du treuil dans l'un ou l'autre sens suivant la position de l'arbre pivotant. 6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le moyen de mesure de la longueur du câble déroulé comporte un capteur de mesure (16) de la position angulaire du tambour du treuil. 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6 caractérisé en ce que le moyen de mesure de la position du câble dans un repère orthogonal situé dans un plan horizontal lié à 19 aéronef est constitué par une lumière (24) pratiquée dans le plancher de l'aéronef et dans laquelle passe le câble et par deux fourchettes orthogonaleS rotatives (22,23) mobiles en rotation sous l'action des déplacements du câble et liées a deux capteurs de position angulaire (20,21). 8 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 7 caracterisé en ce qu'il comprend des moyens de mesure (33,34) de variations d'assiette longitudinale et latérale de l'aéronef.