Brevet FR2657154A1 — publié le 19910719

L'invention concerne un appareil pour déter- miner la ligne de visée et optionnellement l'orientation dans l'espace d'un casque, et en particulier, mais non exclusivement, de casques tels que ceux portés par du personnel militaire. Des systèmes militaires de visée ou de pointage sur casque sont connus et représentent une autre solution au pointage de canons ou de missiles Par exemple, le procédé classique utilisé par un pilote de combat pour pointer un missile sur une cible souhaitée demande au pilote d'aligner l'avion globalement dans la direction de la cible en utilisant un réticule de pointage affiché devant lui; ceci est connu sous le nom de pointage par portée optique Avec un système de pointage sur casque, le pilote regarde simplement dans la direction de la cible (qui peut être désaxée par rapport à la direction de l'avion), aidé par un réticule de pointage se trouvant, par exemple, sur le viseur du casque Un système de détection est prévu dans le poste de pilotage pour déterminer la ligne de visée et optionnellement l'orientation dans l'espace du casque, et pour calculer la relation géométri- que entre l'axe de la ligne de visée du casque et l'axe longitudinal du missile Ce dernier est habituellement en coïncidence avec l'axe longitudinal de l'avion lorsque le missile attend d'être mis à feu Le désaxement est transmis au système de guidage du missile qui possède alors l'information nécessaire pour mettre le cap dans la direction de la cible désaxée lors de la mise à feu Ces systèmes de pointage sur casque peuvent être utilisés similairement pour commander le pointage ou la visée d'un canon (par exemple dans des hélicoptères ou des chars de combat) ou même dans des environnements non militaires Un exemple de ces derniers serait l'utilisation d'un tel casque pour maîtriser la foule: la direction de pointage d'une caméra télécommandée pourrait être commandée par un opérateur portant un tel casque et regardant la foule depuis un environnement équipé de l'optique et de l'élec- tronique nécessaires. Un système de pointage sur casque connu repose sur la transmission de vecteurs de champ électromagnétique d'une antenne fixe à une antenne de réception placée sur le casque Le champ électromagnétique transmis fournit une référence fixe dans l'espace et, lorsque le casque se déplace dans le champ, l'antenne réceptrice applique des signaux à une unité de détection qui est capable de calculer l'orientation du casque par rapport au champ fixe. De tels systèmes sont décrits, par exemple, dans les brevets des EtatsUnis d'Amérique N' 4 287 809 et N' 4 394 831 Un inconvénient de systèmes basés sur l'électromagnétisme est qu'ils sont sujets à une influence indésirée d'autres champs magnétiques dans l'environnement (par exemple dans le poste de pilotage d'un avion). Une difficulté que l'on rencontre dans tout système de pointage sur casque à utiliser par un pilote est l'échantillonnage des données concernant la position du casque, de façon assez rapide compte tenu du fait que la tête du pilote se déplace parfois à une vitesse supérieure à 100 par seconde A moins que le système soit capable d'un rééchantillonnage rapide, des erreurs de position du casque apparaissent L'invention concerne un système de pointage sur casque qui permet aux données d'être échantil- lonnées rapidement et avec une précision convenant à une utilisation dans le poste de pilotage, par exemple, d'un avion de combat. Conformément à l'invention, il est proposé un appareil de pointage sur casque qui comprend un premier groupe de sources de lumière, un second groupe de capteurs de direction d'arrivée destinés chacun à recevoir un faisceau lumineux provenant desdites sources de lumière, le premier groupe ou le second groupe étant fixé à un casque dont on souhaite calculer la ligne de visée et, optionnel- lement, l'orientation, et l'autre groupe étant fixé à des points fixes de référence, et des moyens qui, en réponse à des signaux reçus par les capteurs de direction d'arrivée, établissent une relation entre chaque signal respectif et des sources lumineuses spécifiques, calculent la direction d'arrivée de tout capteur donné à toute source de lumière donnée, et calculent des signaux de ligne de visée et, optionnellement, des signaux d'orientation par rapport aux points fixes de référence pour ledit casque. Des capteurs de direction d'arrivée (DOAS) sont disponibles dans le commerce et peuvent être utilisés dans l'invention Un capteur DOAS connu est appelé détecteur à quadrants et consiste en quatre photodétecteurs plans, chacun d'eux étant disposé dans l'un des quatre quadrants d'un plan autour d'axes X-Y imaginaires Tout faisceau lumineux atteignant les détecteurs est d'abord concentré par une lentille La direction réelle d'arrivée du faisceau lumineux détermine avec précision le point que le faisceau_ concentré atteint sur les quatre quadrants La conduction relative des quatre photodétecteurs peut ensuite être traduite en une direction géométrique d'arrivée Un tel dispositif est disponible auprès de la firme Integrated Photomatrix Ltd, Dorchester, Royaume-Uni (pièce IPL 10130) et présente un point de lumière concentré d'environ 1 mm de diamètre. Un autre capteur DOAS remplace les quatre photodétecteurs à quadrants par un réseau de cellules à couplage de charges Comme précédemment, suivant le point atteint par le faisceau concentré sur le réseau, le signal reçu peut être traduit en une direction d'arrivée Un réseau convenable de dispositifs à couplage de charges est celui produit par la firme Sony sous la référence ICX 021 CL, qui est un dispositif de formation d'image à semi- conducteurs conçu pour la télévision en noir et blanc Il présente un point de lumière concentré d'environ 20 gm de diamètre. Cependant, la présente invention utilise avantageusement un capteur DOAS du type décrit et revendi- qué dans la demande de brevet français déposée ce même jour sous le titre "Capteur optique de direction d'arrivée" De préférence, chaque capteur DOAS comprend une base plane de laquelle fait saillie un corps tridimensionnel qui est constitué par au moins quatre surfaces réfléchissantes contiguës planes disposées de façon que les lignes de jonction de surface adjacentes soient parallèles entre elles et perpendiculaires à la base, au moins quatre capteurs optiques étant disposés sur la surface de la base, un pour chaque surface réfléchissante, chaque capteur faisant saillie vers l'extérieur sur la surface de la base à partir du bord o sa surface réfléchissante est en contact avec la surface de la base Le corps tridimension- nel est avantageusement un parallélépipède rectangle, et plus particulièrement un cube Un avantage du capteur DOAS du type "cube à miroirs" est qu'il peut être fabriqué sous une forme miniaturisée pour que l'on obtienne une haute précision, une répétitivité élevée et une haute sensibilité dans les limites étroites du poste de pilotage. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel la figure unique illustre schémati- quement une forme préférée de réalisation de l'invention telle qu'utilisée dans le poste de pilotage d'un avion. En référence au dessin, un casque 2 de pilote est représenté disposé à l'intérieur du poste 4 de pilotage Le poste de pilotage porte au moins deux capteurs DOAS 6, 8 du type "cube à miroirs" déjà décrit Sur le casque sont montées au moins trois sources de lumière 10, 12, 14 à diodes électroluminescentes (DEL). Les DEL émettent des ondes lumineuses sphéri- ques qui sont captées par les capteurs DOAS La dimension des capteurs DOAS par rapport à leur distance des diodes électroluminescentes est établie de façon à être suffisam- ment faible pour que, à des fins pratiques, chaque capteur DOAS puisse être considéré comme recevant des ondes lumineuses planes de chaque DEL. Le casque est indépendant de la partie restante du système et comprend une alimentation à pile pour les DEL et pour des oscillateurs destinés à une modulation de tonalité de chaque DEL à des fréquences différentes Les capteurs DOAS reçoivent les signaux lumineux modulés et effectuent une discrimination entre les DEL par filtrage des signaux reçus Pour chaque signal discriminé, la direction d'arrivée du faisceau lumineux (c'est-àdire la direction dans l'espace du capteur DOAS à la DEL concernée) peut être calculée comme décrit dans la demande précitée. Dans un système parfait, la position dans l'espace de toute DEL devrait être définie par l'inter- section des directions d'arrivée calculées de deux capteurs DOAS espacés à la DEL En pratique, ces lignes peuvent ne pas coïncider exactement et il est commode de choisir, en ce qui concerne la position de la DEL, le point milieu du segment de ligne le plus court qui joint deux lignes calculées Les positions dans l'espace de trois DEL séparées ayant été déterminées, il est alors possible, par simple trigonométrie, de traduire ces positions en une orientation du casque dans l'espace, et en la ligne de visée du pilote. Pour une plus grande précision, un plus grand nombre de capteurs DOAS et de DEL peut être utilisé Il est également possible d'inverser les positions des DEL et des DOAS afin que ces derniers se trouvent sur le casque Ceci est moins pratique, car il faut alors probablement connecter le casque au système électronique de l'avion. L'appareil selon l'invention permet de déterminer non seulement la ligne de visée du pilote par rapport au poste de pilotage, mais également l'orientation de sa tête par rapport à cette ligne de visée Cette dernière information peut, en fait, n'être pas nécessaire si, par exemple, la ligne de visée doit être utilisée pour la mise à feu d'un missile sur une trajectoire désaxée par rapport à l'avion. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'appareil décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Appareil de pointage monté sur casque, caractérisé en ce qu'il comporte un premier groupe de sources de lumière ( 10, 12, 14), un second groupe de capteurs ( 6, 8) de direction d'arrivée destinés chacun à recevoir un faisceau lumineux desdites sources de lumière, le premier groupe ou le second groupe étant fixé à un casque ( 2) dont on souhaite calculer la ligne de visée et, optionnellement, l'orientation, et l'autre groupe étant fixé en des points fixes de référence, l'appareil compor- tant en outre des moyens qui, en réponse à des signaux reçus par les capteurs de direction d'arrivée, associent chaque signal respectif à des sources de lumière spécifi- ques, calculent la direction d'arrivée de tout capteur donné à toute source de lumière donnée et calculent des signaux de ligne de visée et, optionnellement, des signaux d'orientation par rapport aux points fixes de référence pour ledit casque. 2 Appareil selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le premier groupe est fixé au casque. 3 Appareil selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chaque source de lumière émet un faisceau lumineux pouvant être identifié de façon unique par rapport aux autres sources de lumière. 4 Appareil selon la revendication 3, carac- térisé en ce qu'il comporte des moyens destinés à moduler les faisceaux lumineux émis par les sources de lumière. Appareil selon la revendication 4, carac- térisé en ce que les moyens établissant une liaison comprennent des moyens à filtrage destinés à établir une discrimination entre des signaux modulés reçus desdits capteurs de direction d'arrivée. 6 Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte au moins trois sources de lumière et au moins deux capteurs optiques. 7 Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les sources de lumière sont des diodes électroluminescentes. 8 Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que chaque capteur de direction d'arrivée comprend un capteur du type à cube à miroirs. 9 Appareil selon la revendication 8, carac- térisé en ce que chaque capteur comprend une base plane de laquelle fait saillie un corps tridimensionnel qui est constitué par au moins quatre surfaces réfléchissantes contiguës planes disposées de façon que les lignes de jonction de surface adjacentes soient parallèles entre elles et perpendiculaires à la base, au moins quatre capteurs optiques étant disposés sur la surface de la base, un pour chaque surface réfléchissante, chaque capteur faisant saillie vers l'extérieur sur la surface de la base à partir du bord o sa surface réfléchissante est en contact avec la surface de la base. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que le corps tridimensionnel est un parallélépipède rectangle. 11 Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce que le parallélépipède est un cube.