Brevet FR2561000A1 — publié le 19850913

DISPOSITIF DE DETERMINATION ET DE COMMANDE DE POSITION La présente invention concerne un dispositif pour déterminer un empla- cement par rapport à un autre emplacement, notamment pour indiquer et commander la position d'un aéronef par rapport à une surface, ce dis- positif comportant un émetteur à l'un des emplacements et un récepteur à l'autre. L'invention concerne plus particulièrement, mais pas exclusivement, un dispositif agencé pour maintenir un aéronef, tel que par exemple un hélicoptère, en une position constante par rapport à un emplacement de la surface de la terre, qu'il s'agisse du sol ou de l'eau. Dans certaines circonstances, il importe de pouvoir maintenir constante le position d'un hélicoptère, spécialement pendant des missions de sur- veillance et de reconnaissance aérienne, pendant des opérations aéro- navales de sauvetage ou quand l'hélicoptère est utilisé comme plate- forme stable, par exemple pour des caméras de télévision. On ne peut pas simplement bloquer les commandes de l'hélicoptère, car son compor- tement est influencé par le vent et d'autres conditions atmosphériques, ainsi que des variations aléatoires de puissance des moteurs. On a envisagé divers dispositifs pour maintenir constante la position d'un hélicoptère. Par exemple, l'hélicoptère pourrait être attaché au sol par un câble, dont une extrémité serait fixée au sol et dont l'autre extrémité serait raccordéeà un capteur de force qui délivre des signaux au système de commandes de vol de l'hélicoptère, en fonc- tion de l'effort exercé sur le câble. Ainsi, l'hélicoptère pourrait être commandé de manière à maintenir un effort constant sur le câble. Ce dispositif présente toutefois plusieurs inconvénients. Tout d'abord, il serait difficile de le mettre en oeuvre en mer, du fait des prob- lèmes d'ancrage d'un câble à la surface de l'eau. Il pourrait être également dangereux d'attacher ainsi un hélicoptère, car cela res- treindrait énormément le pilotage manuel et il existerait un risque que le câble se rompe et s'emmêle dans les pales du rotor. On aurait aussi des difficultés pour maintenir l'hélicoptère dans une orienta- tion angulaire constante par rapport à l'extrémité du câble. - 2- Au lieu de ce système d'attache rigide, on a aussi proposé de viser la surface du sol au moyen d'un quelconque capteur optique, tel qu'une caméra de télévision, et d'appliquer les corrections aux commandes de l'hélicoptère en fonction des variations de l'image reçu par le capteur, suite aux mouvements de l'hélicoptère. Pour ce faire, on peut viser la surface normale du sol, ou bien l'on peut lâcher sur le sol, dans le champ de vision du capteur, un marqueur co oré ou illuminé, cette dernière variante étant spécialement appli- cable de nuit ou dans des zones dont la topographie est uniforme, par exemple un désert ou une nappe d'eau. Un tel dispositif présente des avantages, mais il pourrait être relativement coûteux puisqu'il néces- siterait un système complexe d'évaluation des modifications qui se pro- duisent dans le champ de vision du capteur. Le dispositif présenterait également des inconvénients dans les conditions de mauvaise visibilité, dans lesquelles le capteur ne pourrait pas avoir une vision nette du sol. En outre, dans certains cas, il ne serait pas souhaitable d'uti- liser un tel dispositif de nuit, puisque, si l'on lâche un marqueur éclairé, l'emplacement de l'hélicoptère peut être repéré par des forces hostiles. Par conséquent, la présente invention a pour but de fournir un dispo- sitif de détermination de position qui peut également être utilisé pour commander la position et qui évite de manière substantielle les inconvénients mentionnés ci-dessus. Dans ce but, le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce que l'émetteur comporte 3 bobines électro-magnétiques et un circuit d'exci- tation qui fournit à chaque bobine un signal alternatif constant de fréquencesrespectives différentes, en ce que les bobines sont position- nées de manière à émettre leur rayonnement électromagnétique selon trois axes respectifs orthogonaux, et en ce que le récepteur comporte trois bobines électro-magnétiques dont les axes sont orthogonaux et un circuit de mesure pour mesurer l'amplitude du signal de chacune desdi- tes fréquences, induit dans chacune des bobines du récepteur, et pour en tirer une indication de la position de l'émetteur par rapport au récepteur. -3- Selon une forme de réalisation particulière, l'émetteur est fixé par rapport à ladite surface, le récepteur est monté sur l'aéronef, et le dispositif comporte un circuit agencé pour calculer les varia- tions de la position de laéronef par rapport à la surface et pour délivrer, en fonction de ces variations, des signaux de commande à un système de commande de vol de l'aéronef. Dans les deux formes cbTéalisation susmertionnéeqchaque bobine du récep- teur peut être associé à un discriminateur respectif, chacun de ces dis- criminateur délivrant trois groupes de signaux de sortie en fonction de l'amplitude des signaux reçus sur chacune desdites fréquences. Les bobines de l'émetteur peuvent être montées sur un support déformable. L'émetteur peut comporter un boitier qui renferme les bobines, ce bol- tier pouvant être déformable et pouvant avoir une forme sensiblement tétraédrique. L'émetteur peut être agencé pour flotter à la surface de l'eau, les bobines étant maintenues au-dessus de la surface de l'eau. Un tel émetteur peut comporter, au-dessous de la surface de l'eau, une quille stabilisatrice. Dans les différentes formes de réalisation, l'émetteur peut être agencé pour émettre un rayonnement électro-magné- tique en réponse à un signal d'activation provenant du récepteur. On a constaté qu'un dispositif selon la présente invention n'est pas affecté sensiblement par l'orientation angulaire de l'émetteur, ce qui est particulièrement avantageux quand l'émetteur est lâché sur une mer forte. On décrira ci-dessous à titre d'exemple un dispositif selon la présente invention, agencée pour maintenir la position d'un hélicoptère par rap- port à la surface de la terre, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: La figure 1 représente schémaiquement un hélicoptère en vol station- naire au dessus de la surface de la terre, 35. La figure 2 représente schémaiquement un émetteur, -4- La figure 3 représente schémaiquement un récepteur monté sur l'héli- coptère, et, Les figures 4 et 5 sont des diagrammesvectoriels se rapportant res- pectivement à l'émetteur et au récepteur. On peut voir sur la figure 1 un émetteur (1) reposant sur le sol (2), ainsi qu'un ieicoptère (3) équipé d'un récepteur (4) qui délivre des signaux à un système de commande de vol (5). Le système de commande (5) maintient constante la position de l'hélicoptère (3) par rapport à l'émetteur (1), en commandant de manière appropriée les rotors (6 et 7) de l'hélicoptère. En référence à la figure 2, l'émetteur (1) comporte 3 bobines élec- triques (10,11 et 12) dont les axes respectifs (13, 14 et 15) sont orthogonaux. Les bobines 10 à 12 sont de forme circulaire et peuvent avoir par exemple une longueur de 1 cm, un rayon extérieur de 5 cm et un rayon intérieur de 4 cm. On remarquera cependant que la taille des bobines est dictée par l'application spécifique et par la puissance d'alimentation disponible. Les bobines (10 à 12) sont supportées dans cette configuration orthogonale par des noyaux amagnétiques(16i, 17 et 18). Chacune des bobines 10 à 12 est associée à un circuit dbxcitation res- pectif (20, 21, 22) alimenté par une batterie 23. Chacun des circuits d'exitation (20 à 22) fournit à la bobine qui lui est associée une tension alternative de fréquence respective constante (Fl-10/1, Fl-10/2, Fl-10/3), de sorte que chaque bobine émet un rayonnement électromagnétique d'une fréquence différente. Le rayonnement produit par 1' émetteur 1 est orienté respectivement selon les axes (13, 14 et 15) des bobines (10à12). A faible distance, c'est-àdire dans un rayon de quelques centaines de mètres, c'est le le champ d'induction (appelé parfois le champ proche) qui prédomine sur le champ de transition et le champ de rayonnement. Par exemple, à une distance de 10 mètres d'une petite bobine, la contribution du champ 2561 000 -5- d'induction à l'amplitude du signal peut être de i millivolt, tandis que celles du champ de transition et du champ de rayonnement peuvent être respectivement de 300 nanovoits et de 100 picovolts. A une dis- tance de 100 mètres, ces contributions peuvent être de 1 microvolt pour le champ d'induction, 3 nanovolts pour le champ de transition et 10 picovolts pour le champ de rayonnement. L'amplitude du signal dû au champ d'induction varie avec l'inverse du cube de la distance à la bobine. Le fait que l'amplitude du signal diminue rapidement avec la distance signifie que le dispositif n'est applicable qu'avec des distancesrelativement faibles, puisque les interférences devien- draient non négligeables à des distances plus grandes. Cependant, cela constitue un avantage dans certaines applications o l'on désire opérer de manière cachée. Les bobines 10 à 12, les noyaux 16 à 18, les circuits d'excitation à 22 et la batterie 23 sont tous montés à l'intérieur d'un boî- tier (30). Ce boîtier (30) est agencé pour prévenir tout dommage pouvant se produire quand l'émetteur (1) est lâché d'un aéronef, et plus spécialement pour réduire à un minimum la décélération de son contenu quand l'émetteur frappe le sol. A cet égard, les organes d'émission peuvent être montés dans le boîtier (30) au moyen d'un sup- port déformable (31) qui est élastique ou qui sera comprimé, écrasé ou brisé à l'impact, de façon à dissiper dans une certaine mesure les forces produites par l'impact. Par exemple, le support (31) peut être réalisé en une mousse rigide ou un matériau en nid d'abeille. Selon une autre variante, le support peut comporter un cylindre rempli d'un fluide et un piston qui chasse le fluide du cylindre lors de l'impact. Le boîtier (30) lui-même peut être fait d'un matériau qui s'écrase. Au lieu de cela, ou en plus, l'extérieur du boitier (30) peut être équipé d'un sac rempli d'un fluide, qui se gonfle au moment du largage et se dégonfle à l'impact. On remarquera qu'il existe de nombreuses variantes de construction permettant d'éviter des dégâts à l'émetteur (1). Il n'est évidemment pas nécessaire de prévoir un boîtier spécialement conçu pour palier les effets de l'impact, si l'on descend l'émetteur (1) doucement jusqu'au sol. On peut le faire en suspendant l'émetteur 256 1 0 0 0 -6- (1) à un cordon que l'on déroule lentement à partir de l'aéronef. Si l'émetteur (1) doit être largué sur le sol, le boîtier (30) pré- sente de préférence une forme tétraédrique de manière à éviter autant que possible de rouler sur le sol. Le boitier peut aussi présenter une autre forme et il peut être muni d'éléments saillants appropriés, afin de l'accrocher au sol et de réduire les risques de déplacement. Si l'émetteur (1) doit être largué sur l'eau, le boîtier sera agencé de préférence de manière à garantir que les bobines restent au-dessus de la surface de l'eau. La forme peut être choisie de manière à réduire les effets de l'impact de l'émetteur contre l'eau. Le boîtier peut aussi être muni d'une quille lestée, afin de réduire le roulis en eau agitée. I1 convient de remarquer que le boîtier peut être pour- vu soit d'un camouflage, soit de couleur très contrastées, selon que l'on désire ou non qu'il soit visible. Le boitier peut aussi être con- çu de manière à présenter une signature radar qui est forte ou faible. En référence à la figure (3), le récepteur (4) comporte 3 bobines cir- culaires (40, 41 et 42) orientées selon des axes respectifs orthogonaux (43, 44 et 45). Le signal induit dans chaque bobine (40 et 42) est transmis par des conducteurs blindés (46, 47 et 48) à des discrimina- teurs respectifs (49, 50 et 51) dans une unité de traitement (52). Les discriminateurs (49 à 51) comprennent chacun des circuits sélec- tifs de fréquence et sont agencés pour délivrer des signaux de sortie en fonction de l'amplitude du signal reçu sur chacune des fréquences (Fl10/1, Fl-10/2 et Fl-10/3). Chacun des discriminateurs (49 à 51) délivre donc sur des conducteurs (53A à 53C, 54A à 54C et 55A à 55C) des signaux qui sont transmis à une calculatrice (56). La calculatrice (56) reçoit donc neuf signaux dont les amplitudes sont mesurées et utilisées pour calculer la position du récepteur (4) par rapport à l'émetteur (1). Les neuf signaux d'entrée sont utilisés dans la résolution d'un sys- tème de neuf équations à neuf inconnues, comme on le décrira plus loin d'une manière plus détaillée. -7- La calculatrice (56) calcule la position du récepteur (4) par rapport à l'émetteur (1) et elle la compare avec une position déterminée au préalable. S'il existe une différence entre ces deux positions, la calculatrice calcule les modifications à opérer sur les commandes de l'hélicoptère pour corriger cette différence et elle ramène ainsi l'hélicoptère vers la position prédéterminée. Les signaux de modifi- cations des commandes de l'hélicoptère sont transmis par un câble (57) au système de commande de vol (5) de l'hélicoptère. Les mobiles (40 à 42) et l'unité de traitement (52) qui leur est associée sont montés sous l'hélicoptère (3), à l'extérieur de son enveloppe métalli- que (58) et à l'intérieur d'un boîtier protecteur (59) en matière synthétique ou en une autre matière ne faisant pas écran au rayonne- ment électromagnétique. Le récepteur (4) et l'émetteur (1) sont étalonnés de manière appro- priée avant utilisation. Lors de l'utilisation du dispositif, on enclenche l'émetteur (1) et on le largue de l'hélicoptère (3). Le pilote manoeuvre jusqu'à une position désirée, à l'intérieur, d'un rayon d'une centaine de mètres de l'émetteur (1), puis il actionne un bouton (60) pour que la calculatrice (56) détermine la position de l'hélicoptère (3) par rapport à l'émetteur. Le dispositif de détermi- nation de la position se fixe alors sur cette position et il adresse des corrections appropriées au système de commande de vol (5) pour maintenir cette position. De préférence, une assiette stable de 1'hé- licoptère (3) est maintenue au moyen d'un système de commande stabi- lisateur gyroscopique (70). On décrira maintenant brièvement la méthode utilisée pour déterminer la position. Un repère d'axes orthogonaux sera défini par les vecteurs unitaires i, J et k représentés sur les figures 4 et 5. Les vecteurs unitaires i et i sont situés dans un plan parallèle au sol, tandis que le vecteur k est dirigé verticalement vers le bas. Le vecteur unitaire i est aligné sur le cap que l'hélicoptère (3) doit conserver. Les commandes de cap de l'hélicoptère (3) sont supposées être bloquées. - 8 - Les modifications du cap de l'hélicoptère (3) par rapport au cap désiré peuvent être corrigées par une commande dépendant d'un compas magnétique ou giroscopique. Dans l'émetteur (1), les bobines orthogonales (10 à 12) sont considé- rées comme trois dipôles indépendants ml, m2, m3 centrés respective- ment au point (O, O, O). On admet que les dipôles mi, m2, m3 sont orientés initialement selon les axes i, j, k respectivement et que l'émetteur (1) tourne ensuite d'un angle Yautour de l'axe du dipôle m3, puis d'un angle e. autour de l'axe du dipôle m2, et enfin d'un angle r autour de l'axe du dipôle m3. Les trois angles rG,., , sont aléatoires et peuvent varier avec le temps dans le cas d'applications maritimes. Le dipôle mi a les composantes respectives mx m, m dans le zi i xi Yi i repère i, i, k, c'est-à-dire que: mi = mxi + m + m k () o i = 1, 2, 3. En notation matricielle: -9- xix2 x3 i y1 Y2 y3 _ 2 o.. (i) mzl mz2z3 O ofiJ [ó] [ 1 0 O 0 cosó" silln..: (TI) l -osr& O Oi Os [e] =cose. 0 -Sine; c sinei., 0 oSM 0 1 0... (IV) [] = [cosT, sin>, o' -sin-t cosY., O... (.) et "=T. On définit un dipole sans dimension M. par: _Mi = Mxi.i + M i.i + Mzi.k... (vz) 93J M oi Mi iM o M =M/Mi Xi X ii Mzi =M mi/M avec i = 1, 2, 3 - 10 - Ainsi, en notation matricielle: MX1 MX2 MX M = Y IZ 14...(II) Myz, z2 Mz3 - MZ1 MZ2 MZ3 1 2 3j [_ [] [-I T][ -T]. .. (VIiI) l0 Le champ magnétcperésultant du dipôle mi à l'emplacement r du récep- teur (4), o: r = xi + yj + zk est donné par: r3 mi mir2 i = 4i Mi - (X) Tr r3 l r J Z Xi' + -Bz k... (XI:) o i = 1, 2, 3 On supposera que les bobines orthogonales (40 à 42) du récepteur sont orientées selon des axes i', j' k' représentés sur la figure 5. Ini- tialement, les axes i', j, k' de l'hélicoptère sont alignés respecti- vement avec les vecteurs unitaires i, j, k. Les axes de l'hélicoptère tournent ensuite d'un angle Y autour de k', puis d'un angle e autour de jL, et enfin d'un angle0 autour de i'; S,e, 0 sont les angles respec- tifs de lacet, de tangage et de roulis de l'hélicoptère, i', j, k' étant des axes respectifs de roulis, de tangage et de lacet. 256 10000 - l1 - Appelons V1., V2., V3 les amplitudes des signaux induits respecti- vement dans'les 6obines (40, 41, 42) du récepteur par le dipôle m. i dont la fréquence caractéristique est fi' On a alors: Vi B_; i i i V3 Bz: V12 |= ki.fi[$]Le]Hi By...(XII) L L o i = 1, 2, 3 et úOJ, 6e],ECJ] sont définis par les équations (III), (IV) , (V) respectivement. On peut calibrer comme suit les neuf amplitudes des signaux induits 1i. |] ki+Xb4 V2.............. (XIII) z'- = o i = 1, 2, 3 En supposant que l'hélicoptère (3) est stabilisé en assiette horizon- tale et qu'il tient son cap, c'est-à-dire que: : = i =0= o-... (XIV) alors -2 [a1] -3(Mx+ +3 z-Zx/r ai = I i - 3(MxiX + Myy + MziZ)x/r bi My1N xi M Xi X + Myi... + Mz... (XV) c r MZi -3(Mixx + Y.y + m iZ)z/r2 oi= 1, 2, 3 o i = 2,1 3 56-0 00o - 12 - L'équation (XV) représente neuf équations non linéaires à neuf inconnues, à savoir: x, y, z et, d'après l'équation (VIII), sinyp Tcosf5, sineT, cose, soinT,T, cos - Ces neuf équations ont une solution explicite. Ecrivons l'équation (XV) sous la forme: A =1 PM... (XVI) r3 o A est la matrice des neuf mesures calibrées provenant des bobines (40 à 42) du récepteur, c'est-à-dire: A 2 3 b5 b2 b3... (XVII) 1 c2 c3 et P = 3X-3X 3XY -3XZ -3XY 1-3Y2 _3YZ... (XVIII) -3XZ -3YZ 1-3Y o X = x/r... (XIX) Y = y/r... (XX) Z = z/r... (XXI) 2 2 2 en remarquant que X + y2 + z = 1... (XXII) On peut montrer que: r6 = 4 t 3 -a 1[XJ(i, j)f. ... (XXIII) r i=1 _[=) ou A-1 (i,j) est la valeur de l'élément de la ligne i et de la colonne j de la matrice inverse de A. En outre: X XY XZ XY y2 YZ = I-([r3A] -1)T[r3A]-1j... (XXIV) XZ YZ z2 26 10 0O - 13 - ou T représente l'opérateur de transposition et I la matrice d'identité. La connaissance du signe de z, négatif quand l'hélicoptère (3) se trouve au-dessus de l'émetteur (1), permet de déterminer x, y et z à partir des équations (XXIII), (XXIV), (XIX), (XX), (XXI). x, y, z définissent la position du récepteur (4) par rapport à l'émet- teur (1). La résolution décrite ci-dessus implique d'utiliser les propriétés d'orthogonalité de la matrice M (VII), mais pas de calculer explici- tement la matrice M. La solution est indépendante de l'orientation de l'émetteur 1, donc une rotation de l'émetteur durant l'intervalle de temps séparant chaque groupe de neuf mesures simultanées n'affecte pas la position calculée du récepteur (4). Par conséquent, le disposi- tif est particulièrement avantageux quand l'émetteur (1) flotte à la surface de la mer ou se trouve sur une surface non stationnaire. Le dispositif est en mesure de permettre à un hélicoptère de se maintenir à une hauteur constante au-dessus d'une vague pendant une opération de sauvetage en mer. Le dispositif pourrait aussi être utilisé avantageu- sement pour faciliter l'atterrissage d'un aéronef sur une surface mobile telle que le pont d'un navire, si l'émetteur est supporté par la surface mobile. L'émetteur (1) peut être agencé pour n'émettre qu'en réponse à un signal d'activation provenant de l'hélicoptère (3), notamment du récep- teur (4). Dans une autre forme de réalisation, on pourrait utiliser le dispositif pour positionner avec précision un aéronef par rapport à un autre (l'un d'eux portant l'émetteur (1) et l'autre le récepteur (4)), par exemple pour des manoeuvres de ravitaillement. 2561000' - 14 - Revendications 1. Dispositif pour déterminer la position d'un emplacement par rapport à un autre emplacement, notamment pour indiquer et commander la posi- tion d'un aéronef par rapport à une surface, ce dispositif comportant un émetteur à l'un des emplacements et un récepteur à l'autre, carac- térisé en ce que l'émetteur (1) comporte 3 bobines électro-magnétiques (10 à 12) et 3 circuits d'ebcitation (20 à 22) fournissant aux bobines respectives des signaux alternatifs constants dont les fréquences res- pectives sont différentes, en ce que les bobines (10 à 12) sont posi- tionnées de manière à émettre leur rayonnement électromagnétique selon 3 axes respectifs orthogonaux (13 à 15), et en ce que le récepteur (4) comporte 3 bobines électro-magnétiques (40 à 42) dont les axes (43 à 45) sont orthogonaux et un circuit de mesure (56) pour mesurer l'amplitude du signal de chacune desdites fréquences, induit dans chacune des bobines du récepteur, et pour en tirer une indication de la position de l'émetteur (1) par rapport au récepteur (4). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'émetteur (1) est fixe par rapport à ladite surface (2), en ce que le récepteur (4) est monté sur un aéronef (3), et en ce que le dispositif comporte un cir- cuit (56) agencé pour calculer les variations de la position de l'aéronef par rapport à la surface et pour délivrer, en fonction de ces variations, des signaux de commande à un système de commande de vol (5) de l'aéronef (3). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque bobine (40 à 42) du récepteur (4) est associé à un discriminateur respec- tif (49 à 51), et en ce que chacun de ces discriminateurs délivre trois groupes de signaux de sortie en fonction de l'amplitude des signaux reçus sur chacune desdites fréquences. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les bobines sont de forme circulaire. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les bobines (10 à 12) de l'émetteur (1) sont 25610 00 - 15 - montées sur un support déformable (31). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'émetteur (1) comporte un boîtier (30) qui renferme les bobines (10 à 12), et en ce que ce boîtier (30) est défor- mable. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'émetteur (1) comporte un boîtier (30) qui renferme les bobines (10 à 12), et en ce que ce bottier (30) a une forme sensiblement tétraédrique. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'émetteur (1) est agencé pour flotter à la sur- face de l'eau, les bobines (10 à 12) étant maintenues au-dessus de la surface de l'eau. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'émet- teur (1) comporte, au-dessous de la surface de l'eau, une quille sta- bilisatrice. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'émetteur (1) est agencé pour émettre un rayon- nement électromagnétique en réponse à un signal d'activation prove- nant du récepteur (4).