Brevet FR2687491A1 — publié le 19930820

SIMULATEUR DE VEHICULE A GRAND CHAMP VISUEL ET FAIBLES MASSES EN MOUVEMENT La présente invention se rapporte à un simulateur de véhicule à grand champ visuel et faibles masses en mouvement. Un simulateur de véhicule (aéronef, voiture, char, ...) doit pouvoir, pour être le plus réaliste possible, restituer à la fois l'environnement visuel de son pilote, et les sensations physiques ressenties dans un véhicule réel (accélérations, vibrations, ...). L'environnement visuel comprend les différentes images animées de la scène extérieure normalement observées par le pilote. Pour la plupart des véhicules simulés, cet environnement visuel couvre un grand champ, et pour le restituer avec le même champ, on a généralement recours à des simulateurs à sphère de projection. Cependant, les simulateurs à sphère connus présentent plusieurs inconvénients optiques ou mécaniques. Les simulateurs de ce genre comportent essentiellement: une sphère, d'un diamètre de 6 à 12 m environ dont la surface intérieure constitue un écran concave réflecteur à grand angle, un système de projection d'images simulées, constitué de projecteurs vidéo reliés à un calculateur d'images synthétiques, ces projecteurs projetant les images soit directement sur la surface intérieure de la sphère, par l'intermédiaire de systèmes optiques à dispositifs de transport d'images associés à des objectifs de projection, une reproduction de la cabine de pilotage (cockpit d'avion ou d'hélicoptère ou poste de conduite de véhicule terrestre ou maritime) dans laquelle prend place l'utilisateur du simulateur, et une plateforme mobile ayant de un à six degrés de liberté et destinée à restituer à l'utilisateur les sensations de mouvement les plus réalistes possible. L'implantation respective de ces éléments constitutifs d'un simulateur de véhicule se fait traditionnellement suivant l'un des quatre types principaux suivants 1 ) La plateforme mobile supporte la sphère de projection et la cabine, les projecteurs étant fixés sur la sphère. Les performances de cette solution sont limitées par la capacité de la plateforme à mouvoir des charges importantes (sphère + cabine + projecteurs). Cette solution est principalement utilisée lorsque l'on n'a pas besoin d'un champ visuel étendu, ce qui permet d'employer une portion de sphère de petit diamètre, et donc peu de projecteurs. 20) La plateforme mobile supporte la cabine, les projecteurs étant fixés sur la sphère qui est elle-même fixée au sol. Cette solution est limitée par le fait que la cabine occulte les projecteurs lorsque la plateforme bouge. 30) La plateforme mobile supporte la cabine, les projecteurs et la sphère étant fixés au sol. Dans ce cas, I'observateur peut voir directement les projecteurs lorsque la plateforme bouge. 40) La cabine et les projecteurs sont installés sur la plateforme mobile, la sphère étant fixée au sol. Avec cette solution, la distance des projecteurs à la sphère varie lorsque la plateforme bouge, ce qui fait que pour projeter deux images contiguës et jointives, il faut équiper les projecteurs d'un système faisant varier la taille de leurs images (par zooming) et d'un système faisant varier la distance de mise au point pour conserver la netteté d'image. La présente invention a pour objet un simulateur dont le visuel permette de présenter à l'utilisateur une image couvrant la totalité de son champ visuel, sans que sa plateforme soit trop chargée. Le simulateur conforme à l'invention comporte une sphère de projection reliée au sol et renfermant une cabine reliée à une plateforme mobile dite "de cabine" supportant un dispositif de projection, la plateforme de cabine étant reliée au sol par un dispositif d'animation la déplaçant en rotation autour du centre de la sphère. La sphère peut être reliée au sol de façon fixe ou mobile, et dans ce dernier cas, elle peut soit être fixée sur une plateforme mobile principale supportant également la plateforme de cabine, cette plateforme principale étant mobile selon au moins un degré de liberté, soit être reliée au sol par des vérins, la plateforme de cabine étant toujours mobile en rotation autour du centre de la sphère. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de plusieurs modes de réalisation, pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, sur lequel - la figure 1 est une vue de côté simplifiée d'un premier mode de réalisation d'un simulateur conforme à l'invention; - les figures 2 à 4 sont des vues de côté simplifiées d'un second mode de réalisation d'un simulateur conforme à l'invention, en différentes positions - les figures 5 à 10 sont des vues de détails de réalisation du simulateur de l'invention, et - les figures il et 12 sont des vues de côté simplifiées d'un troisième mode de réalisation du simulateur de l'invention. L'invention est décrite ci-dessous en référence à un simulateur d'aéronef, mais il est bien entendu qu'elle peut être mise en oeuvre pour simuler d'autres véhicules. Le simulateur représenté en figure 1 comporte une cabine 1, qui est une reproduction fidèle d'une cabine de pilotage d'un aéronef, et qui est fixée sur une plateforme de cabine 2. La plateforme 2 supporte, dans le cas présent, deux projecteurs 3, 4, qui sont du type à objectif à très grand angle (communément dénommé "fish-eye"). La plateforme 2 est supportée par une plateforme principale 5 par l'intermédiaire d'un dispositif d'animation 6 comportant plusieurs vérins. La plateforme 5 supporte également une sphère de projection 7. Le dispositif d'animation 6 imprime à la plateforme 2 des mouvements de rotation autour du centre 8 de la sphère 7.Ces mouvements de rotation se font autour d'au moins l'un des axes d'un repère de coordonnées cartésiennes passant par le centre 8 : axe vertical (mouvements de lacets), axe longitudinal de la cabine 1 (mouvements de roulis), ou axe transversal (mouvements de tangage). La plateforme 5 est mobile en translation selon au moins un axe. Dans l'exemple représenté, la plateforme 5 se déplace parallèlement à l'axe longitudinal de la cabine 1 en étant mue par des vérins tels que le vérin 9 visible sur le dessin. Les mouvements de la plateforme 5 sont limités par des butées 10, 11. La plateforme 5 pourrait également se déplacer transversalement et/ou verticalement. Selon une variante, la cabine 1 se déplace par rapport à la plateforme 2 en étant mue par un dispositif à vérins similaire à celui schématisé sur les figures 2 à 4. Ces déplacements sont longitudinaux et/ou transversaux et/ou verticaux, et sont, bien entendu, de plus faible amplitude que les mouvements de la plateforme 5. Grâce au fait que la plateforme 2, qui supporte les projecteurs 3 et 4, est mobile en rotation autour du centre 8 de la sphère 7, les images formées par les projecteurs 3 et 4 sur la sphère 7 sont toujours nettes. Les projecteurs 3 et 4 étant fixes par rapport à la plateforme 2, la ligne de jonction de leurs champs d'illumination respectifs (la trace 12 de cette ligne est représentée sur le dessin) reste la même au cours des mouvements de la plateforme 2, à condition, bien entendu, que lors de la mise en place des éléments du simulateur ces champs soient réglés de façon à être juste jointifs (sans chevauchement ni zone non illuminée entre eux). Pour le mode de réalisation représenté sur les figures 2 à 4, les mêmes éléments que ceux du mode de réalisation de la figure 1 sont affectés des mêmes références numériques. La figure 2 représente le simulateur au repos. La sphère 7 est fixée au sol, de même que le dispositif 6 assurant des mouvements de rotation, autour du centre 8 de la sphère 7, d'une plateforme de cabine 13. Sur la plateforme 13 on fixe un support mobile 14 qui comporte par exemple, de façon connue en soi, des vérins verticaux et /ou horizontaux, et qui dispose de un à trois degrés de liberté en translation, et qui permet de déplacer la cabine 1 parallèlement à ses axes vertical, latéral et longitudinal, (et même de lui imprimer des mouvements de rotation si le support 14 dispose de six degrés de liberté au lieu de trois, ces mouvements de rotation venant amplifier les effets de rotation dus au dispositif 6). Le support 14 est par exemple du type à vérins.Une telle configuration permet de disposer de six degrés de liberté, trois en rotation par le dispositif 6, trois en translation par le support mobile 14. Comme dans le cas du simulateur de la figure 1, les images formées par les projecteurs 3 et 4 sur la sphère 7 sont jointives (trace de la ligne de jonction visible en 12). Bien entendu, le dispositif de projection de tous les modes de réalisation du simulateur de l'invention peut comporter un nombre différent de projecteurs et/ou des projecteurs de nature différente (par exemple projecteurs de zones d'intérêt à faible champ dont les images sont incrustées dans celles des projecteurs à grand champ). II est également bien entendu que la sphère 7 n'est pas nécessairement une sphère complète. En figure 3, on a représenté le simulateur après rotation autour d'un axe transversal passant par le point 8. Du fait que les projecteurs 3 et 4 sont fixés sur la plateforme 13 dont la rotation s'effectue autour du centre 8 de la sphère de projection, la ligne de jonction des images de ces projecteurs n'est pas modifiée, et la distance de projection ne varie pas. Les images projetées sur la sphère 7 sont toujours nettes. En figure 4, la plateforme 13 a la même position qu'en figure 3, mais le support 14 s'est déformé de façon à faire reculer longitudinalement la cabine 1. Ce mouvement de la cabine 1 ne modifie pas la position et les caractéristiques des projecteurs 3 et 4, mais pour tenir compte du déplacement longitudinal de la cabine, il est préférable que le calculateur générant les images synthétiques projetées par les projecteurs 3 et 4 modifie leur contenu en fonction de ce déplacement. Bien entendu, dans le mode de réalisation de la figure 1, on peut intercaler entre la cabine 1 et la plateforme 2 un support similaire au support 14. On a représenté sur les figures 5 à 8 divers modes de réalisation possibles d'un dispositif permettant aux projecteurs 3 et 4 (supportés par la plateforme 2 ou 13) de tourner autour du centre 8 de la sphère 7. Selon le mode de réalisation de la figure 5, on utilise, selon le principe des mouvements de gyroscopes, trois cadres mobiles imbriqués 15, 16, 17. Le cadre 15 en forme d'étrier est fixé sur un bras vertical 18 tournant autour de son propre axe. Le cadre 15 soutient le cadre 16 rectangulaire par l'intermédiaire de deux bras horizontaux 19, 20 fixés au cadre 16, qui sont dans le prolongement l'un de l'autre, et qui pivotent dans les extrémités des branches du cadre 15. Le cadre 16 soutient à son tour le cadre rectangulaire 17 par l'intermédiaire de deux bras horizontaux 21, 22 qui sont dans le prolongement l'un de l'autre, et qui sont fixés au cadre 17 et pivotant dans des paliers fixés au milieu de deux côtés opposés du cadre 16.Les axes respectifs des bras 18, 19 et 20, 21 et 22 passent tous par un point commun 23, qui coïncide avec le centre 8 de la sphère 7. Le cadre 17 supporte la plateforme de cabine. Selon le mode de réalisation de la figure 6, on fait appel à un double cardan 24. la première partie du cardan 24 a une chape 25 en forme de "U" supportée par un bras vertical 26 tournant autour de son propre axe. La chape 25 de ce cardan 24 supporte un bras 27 en croix. Une des deux branches du bras 17 pivote dans des paliers fixés à la chape 25, tandis que l'autre branche pivote dans des paliers fixés à une chape 28 en forme de "U". La plateforme de cabine est fixée à la chape 28. L'axe du bras 26 passe par le centre 29 du bras 27. Ce point commun 29 coïncide avec le centre 8 de la sphère 7. Selon le mode de réalisation de la figure 7, on utilise une rotule 30 tournant sur un support fixe 31 de forme complémentaire. La rotule 30 supporte une chape creuse 32 sensiblement hémisphérique qui est fixée à la plateforme de cabine par un bras 33. Le centre 30A de la rotule 30 coïncide avec le centre de la sphère de projection. On a représenté plus en détail en figure 8 un mode de réalisation possible du dispositif 6 avec une plateforme de cabine 34 (qui peut être la plateforme 2 ou la plateforme 13) qui effectue des mouvements de rotation autour du centre 8 de la sphère 7. Dans le cas représenté sur cette figure 8, on fait appel au double cardan 24 de la figure 6 pour obtenir ces mouvements de rotation, mais il est bien entendu que l'un quelconque des dispositifs décrits ci-dessus, ou tout dispositif analogue peut convenir à cet effet. La chape 25 du double cardan 24 est fixée au sommet 35 d'un support 36, qui a par exemple une forme de trépied. Le support 36 est lui-même fixé soit au sol, soit sur la plateforme de la figure 1. Comme représenté en figures 9 et 10, la plateforme de cabine 37 peut être actionnée par un dispositif classique 38 à six vérins 39A à 39F lui assurant six degrés de liberté (trois en translation et trois en rotation). Les vérins du dispositif 38 sont commandés par un calculateur 40. Le calculateur 40 actionne les vérins 39A à 39F de façon que les mouvements de la plateforme 37 soient des mouvements de rotation autour d'un point fixe 41. La programmation du calculateur 40 à cet effet est évidente pour l'homme de l'art à la lecture de la présente description. On a représenté en figure 9 la plateforme 37 au repos (horizontale), et en figure 10 après une rotation autour du point fixe 41. On a représenté en figures 1 1 et 12 un autre mode de réalisation du simulateur conforme à l'invention. La plateforme de cabine 42, supportant la cabine 43 et des projecteurs tels que les projecteurs 44, 45 (similaires aux projecteurs 3 et 4) représentés sur le dessin, est actionnée par un dispositif 46 de type classique à six vérins et six degrés de liberté, ce dispositif 46 étant fixé au sol par une embase 47. La sphère de projection 48, qui renferme l'ensemble des éléments 42 à 47, est actionnée par plusieurs groupes de vérins tels que les vérins 49A à 49D représentés sur le dessin. Ces vérins sont fixés au sol et actionnent la sphère 48 selon trois degrés de liberté en translation sous la commande d'un calculateur 50 qui commande le dispositif 46. La programmation de ce calculateur 50 est évidente pour l'homme de l'art à la lecture de la présente description. Les images projetées sur la face intérieure de la sphère 48 par les projecteurs 44, 45 se raccordent suivant une ligne dont la trace est visible en 51 sur le dessin. Lorsque le dispositif 46 déplace la plateforme 42, en particulier avec des mouvements de translation, le calculateur 50 agit sur les vérins 49A à 49n pour déplacer la sphère 48 de la même façon, afin de conserver la même distance de projection des projecteurs 44, 45 et la même ligne de raccordement de leurs images (trace 51). Tout se passe donc, pour la visualisation, comme si la plateforme 42 n'effectuait que des mouvements de rotation autour du centre 52 de la sphère: Les mouvements de translation de la plateforme sont compensés par des mouvements de translation de la sphère, et les mouvements de rotation ou les mouvements combinés de rotation et de translation se traduisent, comme dans les autres modes de réalisation décrits ci-dessus, par des rotations de l'ensemble de projection autour du centre 52 de la sphère 48. On a représenté en figure 1 1 le simulateur en position initiale (plateforme de cabine 42 horizontale), et en figure 12 lorsque le dispositif 46 a fait faire à la plateforme de cabine un mouvement de translation (essentiellement vertical) associé à une rotation en tangage. Le centre de la sphère occupe alors la position 52', et tout se passe pour le dispositif de projection comme s'il n'y avait eu qu'un mouvement de tangage autour du centre de la sphère. REVENDICATIONS 1. Simulateur de véhicule à grand champ visuel et faibles masses en mouvement, caractérisé par le fait qu'il comporte une sphère de projection (7, 48) reliée au sol et renfermant une cabine (1, 43) reliée à une plateforme mobile dite "de cabine" (2, 34, 37, 42) supportant un dispositif de projection (3, 4, 44, 45), la plateforme de cabine étant reliée au sol par un dispositif d'animation (6, 38, 46) la déplaçant en rotation autour du centre de la sphère (8, 23, 29, 30A, 41, 52). 2. Simulateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la sphère est reliée au sol de façon fixe. 3. Simulateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la sphère est reliée au sol de façon mobile. 4. Simulateur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la sphère (7) est fixée sur une plateforme mobile principale (5) qui est mobile selon au moins un degré de liberté (9). 5. Simulateur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la sphère (48) est reliée au sol par des vérins (49A-49D) et est mobile en translation. 6. Simulateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la plateforme de cabine est supportée par un dispositif à trois cadres mobiles imbriqués à la façon de mouvements de gyroscopes (figure 5). 7. Simulateur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que la plateforme de cabine est supportée par un dispositif à double cardan (figure 6). 8. Simulateur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que la plateforme de cabine est supportée par un dispositif à rotule (figure 7). 9. Simulateur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que la plateforme de cabine (34) est supportée par un dispositif à vérins à plusieurs degrés de liberté (38).