Brevet FR2680266A1 — publié le 19930212

SYSTEME DE RESTITUTION DE L'ENVIRONNEMENT VISUEL D'UN PILOTE EN SIMULATEUR La présente invention se rapporte à un système de restitution de l'environnement visuel d'un pilote en simulateur. L'environnement visuel d'un pilote comprend les principales images suivantes - images animées de la scène extérieure, normalement observées en vol par le pilote à travers la verrière de son cockpit, comprenant le sol, le ciel, des objets mobiles tels que des avions, des cibles aériennes ou terrestres, des missiles, des effets dus à des tirs ; - images animées des différents instruments situés à l'intérieur de la cabine. Un tel environnement visuel est essentiellement restitué dans les simulateurs par projection sur une sphère. Le simulateur en sphère comprend usuellement une sphère de 6 à 12m de diamètre dont la surface intérieure constitue un écran réflecteur concave à grand angle. Une reproduction du cockpit d'un avion, d'un hélicoptère, ou même d'un véhicule terrestre, dans lequel est placé le pilote, est située vers le centre de la sphère. La vue du sol ainsi que celle du ciel sont simulées par des images projetées sur la sphère. Ces images sont produites par des systèmes de projection constitués de projecteurs vidéo commandés par un calculateur d'images synthétiques générant le ciel et le sol, et de systèmes optiques comprenant généralement des transports d'images et terminés par des objectifs de projection. Ces systèmes de projection sont situés soit à l'intérieur, soit à l'extérieur de la sphère. Dans ce cas les images observées par le pilote depuis le cockpit sont produites par des projecteurs vidéo connectés au générateur d'images de synthèse. Les projecteurs projettent l'image sur la sphère soit directement au moyen de leur objectif de projection, soit par un système optique complémentaire. La projection depuis l'intérieur de la sphère présente l'inconvénient de limiter le nombre de projecteurs pour des raisons d'encombrement et d'occultation. Ceci rend complexe l'installation de systèmes dit "multifenêtres" dans lesquels l'image couvrant la totalité du champ visuel du pilote est issue de plusieurs projecteursychacun couvrant une partie de ce champ (fenêtre). L'accroissement du nombre de projecteurs se traduit par un accroissement de la luminosité et de la résolution, c'est-à-dire du nombre de points (pixels) visibles par l'observateur. La projection depuis l'extérieur de la sphère facilite l'implantation, la place disponible étant quasiment illimitée. Elle permet l'implantation d'un grand nombre de projecteurs. Le principal problème posé par ce type de solution est qu'il est presque impossible de ne pas avoir de projecteurs dans le champ d'observation. La méthode usuelle pour pallier cet inconvénient très gênant (l'observation directe du projecteur est éblouissante voire dangereuse) consiste à installer le projecteur hors de la zone d'observation. Une telle solution ne peut être utilisée que si l'objectif du projecteur présente une pupille (plus petite surface, le long de l'axe optique, par laquelle passent les rayons issus de la source de projection) très petite, condition pour que le trou pratiqué dans la sphère soit le plus petit possible. Cette solution connue présente cependant l'inconvénient de la présence d'un trou dans la sphère, trou qui se traduit par une discontinuité de l'image lorsque le pilote regarde dans sa direction (le projecteur utilisant ce trou étant alors, bien entendu, inactif, du fait qu'un projecteur sensiblement opposé éclaire la zone de ce trou). En outre, cette solution nécessite des projecteurs à très petite pupille, peu courants. La présente invention a pour objet un système de restitution de l'environnement visuel d'un pilote en simulateur, du type à sphère et projecteurs extérieurs, système qui présente à l'utilisateur une image sans discontinuités, tout en permettant l'utilisation d'un grand nombre de projecteurs, le cas échéant, ces projecteurs pouvant même être du type à grande pupille. Le système conforme à l'invention comporte, pour chaque trou de passage du faisceau d'un projecteur, un dispositif obturateur à états transparent et réfléchissant commutables, ce dispositif obturateur étant relié à un dispositif de commande, lui-même relié à un dispositif de détection de position de la tête de l'utilisateur, le dispositif obturateur étant commuté de l'état normalement transparent à l'état réfléchissant lorsque l'utilisateur tourne son regard vers lui. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustrée par le dessin annexé, sur lequel; - les figures 1 et 2, sont respectivement une vue de côte et une vue de dessus en coupe, simplifiées et partielles d'une sphère de projection d'un visuel de simulateur, munie d'un système conforme à l'invention; - et les figures 3 à 6, sont des vues partielles de variantes mécaniques du dispositif d'occultation de projecteur du système de la figure 1. L'invention est décrite ci-dessous en référence à un simulateur, tel qu'un simulateur d'avion, mais il est bien entendu qu'elle n'est pas limitée à une telle application, et qu'elle peut être mise en oeuvre pour d'autres applications nécessitant un visuel à très grand champ optique. Le simulateur, comportant le système de l'invention, schématiquement représenté en figures l et 2, comporte essentiellement une reproduction 1 de cabine de pilotage disposée sensiblement au centre d'une sphère de projection 2, et plusieurs projecteurs 3A, 3B,... disposés à l'extérieur de la sphère 2. La sphère 2 a par exemple un rayon compris entre 3 et 6 mètres environ, et sa surface interne est traitée de façon à former une surface de projection. La sphère 2 n'est pas nécessairement une sphère complète. Comme représenté en figure I, elle peut être amputée de sa calotte " australe" (inférieure) qui n'est pas utilisée comme surface de projection dans le cas présent. La cabine 1 peut être mobile selon six degrés de liberté. Elle est alors mue par un dispositif à six vérins, bien connu en soi et non représenté. Les projecteurs 3A, 3B,..., sont, dans le cas présent, disposés à peu près aux 2/3 de la hauteur de la sphère 2. Ces projecteurs sont par exemple, comme représenté sur le dessin, au nombre de six, régulièrement disposés autour de la sphère. Ils sont reliés à un générateur d'images de type approprié, non représenté. Les objectifs des projecteurs 3A, 3B,..., sont dirigés sensiblement vers le centre de la sphère 2. I1 est toutefois bien entendu que cette disposition des projecteurs n'est pas la seule possible, et que leur nombre peut être différent. On peut par exemple prévoir un ou plusieurs projecteurs disposé(s) plus bas que les projecteurs 3A, 3B,... et dirigés vers le haut de la sphère, et/ou d'autres projecteurs situés plus haut et illuminant le bas de la sphère. En vis à vis de ltobjectif de chaque projecteur, on pratique une ouverture dans la sphère, et on masque chacune de ces ouvertures par un obturateur, respectivement référencé 4A, 4B,... Ces obturateurs sont fixés sur la face-interne de la sphère 2 et formés par un film en matériau à deux états optiques commutables réfléchissant/transparent. Ces caches forment écran lorsqu'ils sont opaques et assurent ainsi la continuité de la surface de projection, et laissent passer le faisceau lumineux du projecteur correspondant lorsqu'ils sont transparents. Selon un mode de réalisation avantageux, les caches 4A, 4B, 4C... sont constitués par un film de PDLC. Le film PDLC commence à être utilisé dans divers domaines, et on se contentera d'en résumer ici les principales caractéristiques ce film est constitué de micro-gouttes de cristal liquide dispersées dans un polymère en film. Les deux faces de ce film sont recouvertes d'une mince couche d'un alliage électriquement conducteur et transparent ( "ITO't = oxyde d'étain et d'indium). Ces deux couches d'alliage forment les électrodes de commande du film PDLC. En l'absence de champ électrique, les micro-gouttes de cristal liquide sont orientées de façon aléatoire, et la lumière frappant le film est réfléchie dans toutes les directions. Le film a alors des propriétés de diffusion de la lumière (translucide).En présence d'un champ électrique, les micro-gouttes de cristal liquide s'orientent dans la direction du champ électrique, et la lumière peut traverser le film PDLC sans aucune réflexion. Ce film est alors transparent. La commutation diffusant === > transparent s'effectue en environ 2 à 3 ms, et la commutation en sens inverse en environ 5 ms. Le rendement en transmission du film PDLC est supérieur à 85 %. L'observateur, occupant la cabine 1, porte, par exemple sur un casque, un dispositif 5 de détection de position de sa tête. Ce dispositif de détection, qui peut être de tout type connu (magnétique, optique,...) est relié à un dispositif (non représenté) de commande de l'état des différents caches 4A, 4B, 4C,... en fonction de la position de la tête de l'observateur. Dans le cas de caches à film de PDLC, seul le (ou les) cache(s) situé(s) dans la direction du regard de l'observateur est(sont) commuté(s) à l'état opaque (ou translucide), c'est à dire ne reçoivent pas de tension dudit dispositif de commande, tous les autres caches sont rendus transparents par application d'une tension de commande à leurs électrodes respectives. Si, par exemple, l'observateur regarde dans la direction du projecteur 3D, ce projecteur est éteint et le cache correspondant 4D est rendu opaque1 alors que les autres projecteurs illuminent la face intérieure de la sphère, leurs caches étant transparents. Si, ensuite, l'observateur tourne son regard vers la zone où se trouve le projecteur 3B, en passant par la zone du projecteur 3C, ledit dispositif de commande provoque l'extinction du projecteur 3C, et rend opaque 4C, puis du projecteur 3B et rend opaque 4B, et rallume le projecteur 3D en rendant transparent 4D, puis le projecteur 3C (si l'observateur ne regarde pas du tout dans sa direction) en rendant transparent 4C.Ainsi, quelle que soit la position de la tête de l'observateur et quel que soit le trajet de son regard, il n'est jamais ébloui par un projecteur et voit toujours une image dans son champ d'observation, sans que la surface de projection présente des discontinuités dans la zone des ouvertures pour les projecteurs. On a schématiquement représenté en figures 3 et 4, une variante dont le cache est mécanique. Ce cache, référencé 6n (n=A, B > C...) est un volet commandé par un mécanisme 7n qui peut être électromagnétique, pneumatique, etc... Sur les figures, le cache 6n est basculant, mais il peut également être glissant. En figure 3, le cache 6n est représenté en position ouverte, et les rayons du projecteur correspondant 3n peuvent entrer dans la sphère 2. En figure 4, ce cache est en position fermée, et le projecteur 3n est éteint. On a schématiquement représenté en figures 5 et 6 une autre variante à cache 8n formé de plusieurs lames commandées par un dispositif 9n (électromécanique, hydraulique,...). En position ouverte (figure 5) du cache, les lames sont parallèles entre elles et parallèles à l'axe optique du projecteur 3n, qui est allumé. En position fermée (figure 6), les lames sont rabattues et ferment complètement llouverture de la sphère 2. Bien entendu, pour ces deux variantes, les faces intérieures du volet 7n et des lames 8n sont traitées réfléchissantes de la même façon que la face intérieure de projection de la sphère 2. Bien entendu, d'autres types de caches peuvent être utilisés, tels que des obturateurs semblables à ceux des appareils photographiques, ou des iris semblables aux diaphragmes des appareils photographiques (mais à fermeture complète), et leurs faces internes sont traitées réfléchissantes. REVENDICATIONS 1. Système de restitution de l'environnement visuel d'un pilote en simulateur, du type à sphère (2) et projecteurs extérieurs (3A, 3B,...), caractérisé en ce qu'il comporte > pour chaque trou de passage du faisceau d'un projecteur, un dispositif obturateur (4A, 4B,...6,, 8n) à états transparent/réfléchissant commutables, ce dispositif obturateur étant relié à un dispositif de commande (7n, 9n), lui-même relié à un dispositif (5) de détection de position de la tête de l'utilisateur, le dispositif obturateur étant commuté de l'état normalement transparent à l'état réfléchissant lorsque l'utilisateur tourne son regard vers lui. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif obturateur est formé par un film en matériau à deux états optiques commutables réfléchissant/transparent. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le film est en PDLC ("Polymer Dispersed Liquid Crystal"). 4. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif obturateur est de type mécanique (figures 3 à 6). 5. Système selon le revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif obturateur est un volet basculant(6n). 6. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif obturateur comporte plusieurs lamelles basculantes (8n). 7. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif obturateur est un obturateur glissant.