Brevet FR2636303A1 — publié le 19900316

La présente invention concerne un système d'aide à l'appontage d'aéronefs à vol stationnaire sur plate-forme de navire. Ltappontage d'un hélicoptère, il pourrait aussi s'agir d'un avion capable de vol stationnaire, sur la plate-forme dtun bâtiment de la marine, à priori autre qu'un porte-hélicoptères, s'effectue en positionnant l'aéronef à une hauteur déterminée, généralement un à deux mètres, audessus d'une grille de la plate-forme, de deux à trois mètres de diamètres, en larguant de l'appareil un harpon, ou crosse, pour l'accrocher à la grille et en enroulant sur un treuil un câble au bout duquel est fixé le harpon pour tirer l'hélicoptère vers la plate-forme, ou le pont, du bâtiment, avant de le plaquer dessus. Depuis une distance de quelques miles nautiques, envi- ron deux, jusqu'à l'extrémité du bâtiment, l'hélicoptère est guidé sur un plan de descente sans difficultés, à l'aide de dispositifs optiques du type VASIS (Visual approach clope indicator system, ou indicateur visuel de pente d'approche). Jusqu'alors, les mouvements du bâti- ment ne sont pas importants. Ils le deviennent ensuite, en phase finale d'appontage, le harpon ne devant pas être largué en dehors de la grille, et l'aéronef devant se poser à plat sur la plate-forme. Or le pilote ne voit pas sous son appareil. Pour résoudre cette difficulté, il est fait appel, d'une part, à un officier d'appontage ou "batman", et, d'autre part, à une barre de référence horizontale (BRE) fixée en partie haute d'un hangar érigé sur la plate-forme et que le pilote peut voir, la barre étant asservie pour rester horizontale et le pilote ne posant son appareil -que lorsque cette barre est parallèle au sommet du hangar. La difficulté n'est toutefois qu'en partie résorbée. La barre BRH certes fournit une référence de roulis et le batman aide le pilote comme il peut. Mais ce n'est pas pleinement satisfaisant. Le pilote ne connait pas son altitude exacte au-dessus de la plate-forme - la sonde altimétrique est hors d'usage à cause des masses magnéti- ques et le pilonnement du navire peut être important - ni la distance de son appareil au hangar, qui doit rester suffisante pour le débattement des pales, et il ne dispose pas de références de site, de tangage et de lacet - le compas magnétique est tout autant perturbé que la sonde par les masses magnétiques -. Bref, la qualité et la précision de l'appontage dépend trop du batman. La présente invention vise à pallier cet inconvénient. A cet effet, la présente invention concerne un systè- me d'aide à l'appontage, en phase finale, sur la plate- forme d'un navire, d'un aéronef à vol stationnaire, ca- ractérisé par le fait qu'il comporte, sur l'aéronef, des moyens d'émission d'un faisceau de particules conique et, sur la plate-forme, des moyens sensibles pour recevoir les particules du faisceau et matérialiser la section du faisceau par la plate-forme, des moyens pour, dans un repère lié à la plate-forme, déterminer cette section et, à partir de celle-ci, des informations d'appontage, comme l'altitude de l'aéronef au-dessus de la plate-forme et, dans ledit repère, son orientation, c'est-à-dire son angle de lacet, et son site, et des moyens de visualisa- tion des informations d'appontage desdits moyens de dé- termination. De préférence, - le faisceau de particules est un faisceau lumineux et les moyens de réception des moyens photosensibles, - le repère a pour origine le centre d'une grille d'ap- pontage, - les moyens photosensibles comprennent des cellules photosensibles disposées le long des branches, avanta- geusement six, d'une croix aussi avantageusement cen- trée sur l'origine du repère, - les moyens d'émission du faisceau lumineux sont agencés pour émettre un faisceau conique de révolution et d'ou- verture et d'axe, de préférence confondu avec la verti- cale de l'aéronef, tels que la section du faisceau par la plate-forme soit une ellipse. - Le faisceau lumineux peut être émis en lumière visi- ble ou non, par exemple en infrarouge par une source laser; il peut être creux ou plein; étant entendu que dans ce dernier cas, c'est le contour de la trace du faisceau sur la plate-forme qui permet de déterminer les informations d'appontage. On notera qu'au lieu d'un faisceau lumineux, un faisceau électromagnétique, de préférence de fréquence sensiblement comprise entre environ 30 et 60 GHz, pourrait être émis. Alors que c'est bien le problème de l'apponta- ge des hélicoptères qui est à l'origine de la présente invention, la demanderesse n'entend pas pour autant la limiter à ce domaine d'utilisation. La présente invention concerne donc, de façon plus générale, un système de positionnement d'un premier objet par rapport à un second objet, caractérisé par le fait qu'il comporte, sur le premier objet, des moyens d'émis- sion d'un faisceau de particules conique et, sur le second objet, des moyens sensibles pour recevoir les particules du faisceau et matérialiser la section du faisceau par le second objet, des moyens pour, dans un repère lié au se- cond objet, déterminer cette section et, à partir de celle- ci, des informations de positionnement, comme la distance du premier objet au second et, dans ledit repère, l'orien- tation et le site du premier objett et des moyens de visua- lisation des informations de positionnement desdits moyens de détermination. L'invention peut ainsi trouver aussi une bonne application par exemple dans le domaine de la machine- outil. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la des- cription suivante du système d'aide à l'appontage de l'invention, en référence aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 représente une vue schématique illustrant la mise en oeuvre du système de l'invention, entre un hélicoptère et la plate-forme d'un navire; - la figure 2 représente la section d'un c8ne de révolution par un plan et - la figure 3 représente schématiquement les blocs de l'unité de traitement du système de la figure 1. Commençons par démontrer, en référence à la figure 1, comment, à partir de l'équation d'une ellipse (E), section par un plan (P) d'un c8ne de révolution (C) d'angle d'ou- verture donné 2, on peut déterminer l'angle y compris entre l'axe ( A) du c8ne et la perpendiculaire (r) au plan (P) passant par le sommet S du c8ne, ainsi que la dis- tance SH du sommet du c8ne (C) au plan (P). Soit donc, dans le plan (P) coupant le c8ne (C), l'ellipse (E), intersection des deux surfaces d'équation, dans un repère orthonormé (x, y), plx + p2y + p3xy +p4py + P6 = 0 (1) On détermine la rotation et la translation rectiligne du repère x, y, auxquelles il faut procéder pour obtenir l'équation réduite de l'ellipse (E) 2 2 X2 2 _ 1 = 0 (2) a b 2a et 2b étant les longueurs du grand axe et du petit axe de ltellipse, dans le repère orthonormé (X, Y) ayant le centre 0 de l'ellipse (E) pour origine, son axe focal pour axe XIOX et son axe non focal pour axe Y'OY. Disposant de six paramètres connus (p1-P6), et une translation linéaire et une rotation étant chacune déterminée par deux paramètres, on a donc à résoudre un système de six équations à six inconnues pour déterminer les axes de l'ellipse (E) qui sont deux autres de ces six inconnues. Ayant donc déterminé les longueurs 2a et 2b du grand axe AAt et du petit axe BBI de l'ellipse (E), et la droite (r) coupant le plan (P) au point H situé sur le grand axe AA', on peut écrire, en posant SH = Z, AH = T et AtH = U tg(&+f) = Z z +T Za = tg(&+y) + tg(c- Y) 2a = (tgt + tgi + tg - tg (3) k 1-tg&tg i l+tg tgY La section du cône (C) par le plan perpendiculaire à (à) passant par 0 est un cercle () de rayon R égal à la moitié b du petit axe de l'ellipse (E), le cercle (Z) et l'ellipse (E) se coupant suivant le petit axe BBI de l'ellipse (E). On peut alors écrire tg R os OS = R tg&- Z = OS cosq z Rcos Y tg e bz cos (4) -tg Si on pose tg = A et tge= C, on a, en considérant l'équation (3) 2a Z [A+C C-A 2a = Z -. - 1-AC l+fAC 2a[(îlAC)(l-AC)] = Z[(A+C)(l+AC)+(C-A) (l-AC)J (5) Si on pose tg = -',alors cos 2 c - =1+ tg c = 1- 2 2 (6) -2 Si on reporte la valeur de A, exprimée par la relation (6), dans l'équation (5), a et c étant connus, on obtient une équation en Y du sixième degré. Par une méthode numérique approchée (méthode de Newton, par dichotomie,... ) on en détermine facilement et donc l'angle l. On en déduit Z par l'équation (4). Le système d'aide à l'appontage peut maintenant être abordé. Il s'agit d'un système destiné à permettre l'appontage correct, par exemple d'un hélicoptère 1 sur le pont, ou la plate-forme 2, d'un navire 3, par exemple d'un escorteur. Le système comporte une partie embarquée, à bord de l'hélicoptère, et une partie fixe, à bord du navire. La partie fixe comprend une grille d'appontage clas- sique, de centre 5,implantée sur la plate-forme 2 et symbolisée par son contour extérieur 4 sur la figure 2, des diodes photo-sensibles 6, également implantées sur la plate-forme, destinées à recevoir le rayonnement d'une source montée sur l'hélicoptère et dont il va être question plus loin, une unité de traitement et, ici, une unité de visualisation. Les cellules photo-sensibles 6, de coordon- nées respectives déterminées, en partie noyées dans la plate-forme, seule leur fenêtre de réception faisant saillie hors de celle-ci, sont disposées suivant un inter- valle régulier le long de six branches rectilignes 7-12 décalées angulairement de 600 d'une croix 13 centrée sur le centre 5 de la grille d'appontage 4. Les diodes sont implantées jusqu'aux bords de la plate-forme. La partie embarquée comporte une source d'émission, à travers la partie inférieure 15 de la carlingue de l'héli- coptère, d'un faisceau lumineux 14, ici plein, conique de révolution, dtaxe confondu avec la verticale 16 de l'héli- coptère et d'angle d'ouverture 2e donné. Il s'agit en l'occurrence d'un générateur laser émet- tant dans le domaine infra-rouge, avec son optique asso- ciée; les cellules 6 sont des diodes infra-rouge tout 35.aussi classiques, par exemple en HgCdTe. Pour ne pas subir les perturbations de rayonnements ambiants, le générateur est modulé ici à une fréquence de 800 Hz, obtenue par redressement de deux alternances de la fréquence de bord de 400 Hz. Le faisceau 14 éclaire la plate-forme 2 et illumine les diodes 6 selon une trace à contour elliptique 17. L'unité de traitement, à partir des coordonnées des diodes 12 illuminées situées sur l'ellipse 17, ou des plus proches de ce contour, dispose donc des coordonnées de six points de tl'ellipse, à lterreur de mesure près pouvant donc être égale au pas des diodes 12, à partir desquelles vont pouvoir &tre élaborées les informations d'appontage. Les signaux délivrés par les diodes 6 illuminées des six branches 7-12, en contenant, chacune, ni (i = 1 lecture de mémoires 19 d'un module 20 fournissant les coor- données (x, y)i de celles des n. cellules, pour la ième branche, qui sont illuminées. Six circuits 21, du module 20, en tirent et délivrent les couples de coordonnées maximales des six groupes de diodes, respectivement. Les coordonnées ainsi extraites, à la sortie du module 20, ont été établies dans un repère orthonormé lié à la plate-forme et ayant le centre de la grille d'appontage comme origine, l'axe longi- tudinal du navire pour axexOx, et.'axe transversal du navire pour axe yroy. _0 Dans le module 22, qui reçoit donc les coordonnées de six points de l'ellipse 17, et en référence à l'équation (1) ci-dessus, l'ellipse étant définie par six paramètres, il est résolu le système de six équations à six inconnues qui donne les paramètres p1-P6 de l'ellipse. On notera qu'on pourrait procéder au calcul de l'équation de ltellipse avec moins de six points, donc moins de six branches, mais, bien sftr, au détriment de la précision. Il est procédé dans le module 23, à un changement de repère, par rotation et translation rectiligne, pour calculer l'équation de l'ellipse 17 dans le repère ortho- normé ayant son centre pour origine, son axe focal pour axe X'OX, et son axe non focal pour axe Y'OY, et en déterminer, dans le repère lié à la plate-forme - les coordonnées du centre de l'ellipse, - l'orientation de l'ellipse, - les longueurs du grand axe et du petit axe de l'ellipse. En référence au passage ci-dessus décrivant la figure 1, il est procédé dans le module 24 à la détermination de l'inclinaison forme 2, c'est-à-dire l'inclinaison de l'axe du faisceau sur la verticale du plan de l'ellipse, c'est-à-dire l'angle de présentation de l'appareil, et de l'altitude Z de l'hélicoptère au-dessus de la plate-forme. Les informations délivrées par les modules 23 et 24 sont transmises à l'unité de visualisation 25 et visuali- sées à l'attention du pilote de l'hélicoptère. Il peut par exemple s'agir d'un tableau d'ampoules de couleurs, disposé à bord de l'hélicoptère et indiquant au pilote que son appareil est trop haut, trop bas, trop à droite, qu'il est mal orienté, qu'il n'est pas horizontal, ou qu'il peut procéder au largage du harpon d'appontage. Il peut aussi s'agir d'un tableau disposé à bord de l'hélicoptère, combi- né à un système de transmission classique. REVENDICATIONS 1 - Système de positionnement d'un premier objet (1) par rapport à un second objet (2), caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens d'émission d'un faisceau de particules conique (14), sur le premier objet (1), des moyens sensibles (6) pour recevoir les particules du faisceau (14) et matérialiser la section (17) du faisceau (14) par le second objet (2) et des moyens (20-24) pour, dans un repère lié au second objet (2), déterminer cette section (17) et, à partir de celle-ci, des informations de positionnement, sur le second objet (2), et des moyens (25) de visualisation des informations de positionnement desdits moyens de détermination (20-24). 2 - Système d'aide à l'appontage, en phase finale, sur la plate-forme (2) d'un navire (3), d'un aéronef à vol stationnaire (1), caractérisé par le fait qu'il com- porte des moyens d'émission d'un faisceau de particules conique (14), sur l'aéronef, des moyens sensibles (6) pour recevoir les particules du faisceau (14) et marérialiser la section (17) du faisceau (14) par la plate-forme (2), et des moyens (20-24) pour, dans un repère lié à la plate- forme (2), déterminer cette section (17) et, à partir de celle-ci, des informations d'appontage, sur la plate-for- me, et des moyens (25) de visualisation des informations d'appontage desdits moyens de détermination (20-24). 3 - Système selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel lesdits moyens d'émission émettent un-fais- ceau lumineux (14) et lesdits moyens sensibles sont des moyens photo-sensibles (6). 4 - Système selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel lesdits moyens de détermination (20-24) sont agencés pour déterminer, à partir de la section (17) du faisceau (14), la distance du sommet du faisceau au plan (2) de cette section. 5 - Système selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel lesdits moyens d'émission du faisceau (14) sont agencés pour émettre un faisceau conique de révo- lution. 6 - Système selon la revendication 5, dans lequel lesdits moyens de détermination (20-24) sont agencés pour déterminer l'inclinaison de l'axe (16) du faisceau (14) sur la verticale du plan (2) de ladite section (17). 7 - Système selon l'une des revendications 2 à 6, dans lequel ledit repère a pour origine le centre (5) d'une grille d'appontage (4). 8 - Système selon l'une des revendications 3 à 7, dans lequel lesdits moyens photo-sensibles comprennent des cellules photosensibles (6) disposées le long des branches (7-12) d'une croix. 9 - Système selon l'une des revendications 5 à 8, dans lequel lesdits moyens d'émission sont agencés pour émettre un faisceau (14) d'axe (16) et d'ouverture tels que ladite section soit une ellipse (17).