Brevet FR2706152A1 — publié le 19941216

-1 - 2706152 DISPOSITIF DE PILOTAGE AUTOMATIOUE POUR AÉRODYNES. La présente invention concerne un dispositif de pilotage automatique d'un aérodyne tel que, par exemple, un hélico-5 ptère. De tels dispositifs ont généralement pour but de décharger le pilote d'un certain nombre de tâches en améliorant les caractéristiques de vol de l'aérodyne qui est généralement instable, et en assurant certaines tâches de pilotage comme le maintien de l'aérodyne dans une certaine trajectoire choisie par le pilote. Généralement, les dispositifs de pilotage automatique ont pour but d'améliorer la stabilité de l'appareil en pilotage manuel, et d'offrir au pilote une impression de plus grande stabilité et d'homogénéité concernant les caractéristiques des effets des différentes gouvernes. Jusqu'à présent, ces dispositifs effectuaient, pour chacun des trois axes de pilotage, tangage, roulis et lacet, un calcul analogique permettant de commander le jeu d'actionneurs qui agissent sur les gouvernes en fonction - 2 -2706152 -2- des commandes du pilote et des informations fournies par des capteurs. Généralement, les actionneurs d'un axe de pilotage comprennent un vérin série d'autorité faible dont le mouvement est très rapide, et un vérin de "trim" possédant pleine autorité, dont le mouvement est plus lent, destiné à recentrer la position du vérin série. Etant donné que chaque axe présente des lois d'asservisse- ment différentes, chaque calcul est différent. Il en résulte que le coût d'un tel dispositif est très élevé, chaque calculateur devant être conçu, testé et certifié individuellement. Par ailleurs, un hélicoptère est destiné à remplir un grand nombre de missions. Pour être autorisé à voler et à remplir ces missions dans des conditions de sécurité suffisantes, l'hélicoptère doit être présenté en certification. Cette certification porte essentiellement sur la sécurité de l'hélicoptère et des tiers survolés. Elle concerne les organes pouvant influer sur son niveau de sécurité, et notamment sur le dispositif de pilotage automatique. Pour des raisons de coût et parce que les caractéristiques de vol des hélicoptères peuvent être très différentes d'un modèle à l'autre, on est amené à adapter leur équipement à leurs caractéristiques et aux missions qui leur sont destinées. Depuis l'apparition des technologies numériques, on a proposé, dans le but d'intégrer un grand nombre de fonctions dans un système moins encombrant, évolutif et de maintenance plus aisée, d'intégrer toutes les fonctions des trois calculs analogiques du dispositif de pilotage automatique dans un seul calculateur numérique. Cette solution permet une grande souplesse d'adaptation du dispositif à chaque type d'utilisation, cette adaptation _ 3 _ 2706152 pouvant s'effectuer par simple changement de version du programme qui pilote les actionneurs. Cependant, si cette solution évite d'avoir à réaliser un calculateur par type d'appareil et par type de mission, elle ne supprime pas5 l'étape de certification qui doit porter sur chaque version. Par ailleurs, la puissance de calcul nécessaire varie d'une façon importante suivant que l'on a à commander un ou trois10 axes simultanément, et donc, pour optimiser les coûts, on est quand même amené à proposer plusieurs configurations matérielles du dispositif de pilotage pour s'adapter au mieux aux besoins de la mission. Par ailleurs, les calculateurs numériques de pilotage automatique se composent généralement de plusieurs cartes électroniques correspondant au coeur numérique, à l'alimentation, à la gestion des entrées sorties, et à la génération des commandes de puissance des actionneurs. Toutes ces cartes communiquent entre elles par l'intermédiaire d'une carte d'interconnexion, dite "de fond de panier". Cette structure implique que chaque carte doit être identifiée séparément, avant intégration et identification de l'ensemble du calculateur. En outre, pour réparer un calculateur défaillant, il est nécessaire de tester l'ensemble pour localiser la carte défaillante. Une fois réparée ou remplacée, cette dernière doit être testée séparément, puis intégrée à l'ensemble du calculateur qui doit subir à nouveau l'examen de recette. Cette structure conduit donc à des procédures de mainte- nance et de recette relativement lourdes, et donc coûteuses. La présente invention a plus particulièrement pour but de supprimer ces inconvénients en proposant un dispositif de pilotage automatique d'un aérodyne, faisant intervenir un calculateur numérique recevant des informations émanant _ 4 _ 2706152 d'un ensemble de capteurs et assurant la commande d'actionneurs agissant sur les gouvernes. Ce dispositif est caractérisé en ce que le calculateur comprend au moins un module de calcul disposant de ressources matérielles et logicielles aptes à assurer le pilotage selon l'un quelconque des trois axes de pilotage, ce module comprenant des moyens pour se rendre spécifique d'un axe déterminé parmi lesdits axes de pilotage, et des moyens pour se connecter aux capteurs et aux actionneurs10 correspondant audit axe déterminé. Dans ce dispositif, chaque module de calcul met en oeuvre une technologie numérique et analogique, et pour pouvoir traiter indifféremment chaque axe de pilotage, il intègre les fonctions spécifiques à chaque axe de pilotage. Ainsi, pour pouvoir traiter simultanément les trois axes de pilotage, ce dispositif de pilotage automatique est capable de recevoir trois modules de calcul identiques, chacun20 pouvant être entièrement indépendant des deux autres. De cette manière, une défaillance d'un des modules ne risque donc pas de perturber les deux autres. Cette disposition peut permettre d'éviter d'avoir à multiplier les chaînes de calcul pour assurer un certain niveau de sécurité. En outre, cette approche modulaire permet de proposer une configuration adaptée à chaque type d'hélicoptère et à chaque type de certification, la configuration minimale ne comportant qu'un seul module de calcul qui assure donc la commande d'un seul axe de pilotage. Selon une particularité de l'invention, chaque module de calcul intègre sur une seule carte, la connectique qui lui permet de s'interfacer directement avec les capteurs et les actionneurs, et un circuit de puissance lui permettant de commander directement les actionneurs, aucune intercon- nexion entre modules n'étant prévue à l'intérieur du boîtier réunissant les modules. - 5 -2706152 Grâce à cette configuration, le test et la maintenance du calculateur se limitent au test et à la maintenance des modules de calcul, indépendamment les uns des autres. Selon une autre particularité de l'invention, les moyens pour se rendre spécifique d'un axe de pilotage sont situés au niveau du connecteur extérieur de chaque module de calcul. Ces moyens comprennent des moyens de définition d'un code situés sur le connecteur relié aux capteurs et aux actionneurs d'un axe de pilotage, chaque module comprenant des moyens de lecture de ce code. Ainsi, la simple connexion du module lui permet de s'auto-configurer en fonction de l'axe de pilotage qu'il a à commander. Toutes ces dispositions permettent d'obtenir un dispositif de pilotage automatique simplifié du point de vue matériel, et donc de coûts de fabrication et de maintenance notable- ment plus réduits que les systèmes déjà proposés. Un mode de réalisation du dispositif selon l'invention sera décrit ciaprès, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 représente schématiquement le dispo- sitif de pilotage automatique au sein d'une chaîne de pilotage selon un axe de pilotage d'hélicoptère; la figure 2 représente schématiquement l'archi- tecture matérielle du calculateur connecté aux actionneurs et à l'ensemble de capteurs; la figure 3 représente schématiquement l'archi- tecture matérielle d'un module du calculateur; - 6 - 2706152 la figure 4 représente en vue éclatée le boîtier du calculateur dans lequel peut être inséré un, deux ou trois modules identiques; la figure 5 montre trois connecteurs extérieurs présentant différents schémas de connexion; les figures 6 et 7 représentent schématiquement deux parties du circuit de commande de puissance. la figure 8 montre une configuration possible du dispositif de pilotage; La figure 1 représente les différents éléments de pilotage selon l'un des axes de tangage ou de roulis. Ces éléments comprennent un manche à balais 7 actionné par le pilote, et qui traverse le plancher 15 du poste de pilotage pour pivoter autour d'un axe 12. L'extrémité opposée au manche 7 se prolonge pour former un levier sur lequel agissent d'une part, un dispositif 9 destiné à appliquer sur le manche une force résistante obéissant à une loi d'effort prédéter- minée, et d'autre part, un vérin série 2. Ce dispositif 9 comporte un point d'appui fixé à un levier 13 actionné par un moteur 3, appelé vérin de "trim" et fixé au plancher 15. L'autre extrémité du vérin série 2 actionne un autre levier 14 qui pivote autour d'un axe solidaire du plancher 15. Ce levier 14 permet d'actionner le distributeur d'un système hydraulique 11 qui agit directement sur les gouvernes de l'hélicoptère. Dans cette structure, le vérin de "trim" 3 est destiné à recentrer lentement en décalant toute la timonerie, la position du vérin série 2 dont le mouvement est très rapide afin de le ramener dans sa position neutre et de lui restituer toute son autorité de pilotage. - 7 -2706152 Sur la figure 2, le calculateur 1 comprend un module 10 qui échange des informations avec un ensemble 4 représentant les capteurs, le poste de commande de l'hélicoptère et éventuellement un équipement de test. Il est conçu pour recevoir deux autres modules 10 (représentés en traits interrompus) identiques au premier, permettant de contrôler les deux autres axes de pilotage de l'hélicoptère. Le module 10 permet de commander directement les vérins série 2 et de "trim" 3 d'un axe de pilotage, en fonction des informations en provenance de l'ensemble 4. Pour cela il possède un connecteur mâle 5 dans lequel vient s'engager un connecteur femelle 6 rassemblant toutes les extrémités des liaisons électriques provenant des capteurs, des actionneurs et du poste de pilotage. Cette figure montre la configuration minimale offerte par le dispositif de pilotage automatique. Selon cette configuration, le calculateur 1 comprend un seul module 10 dédié au contrôle du pilotage, par exemple, suivant l'axe de lacet. Cette configuration permet notamment de réaliser un amor- tisseur de lacet ou une tenue automatique de cap en fonction des informations issues des capteurs disponibles et connectés. Sur la figure 3, chaque module 10 comprend: - un coeur numérique 20 mettant en oeuvre notamment un microprocesseur et des mémoires permettant de stocker un programme et des données; - un circuit 23 de gestion des entrées et sorties de données, qu'elles soient numériques ou analogiques, en provenance ou à destination des autres modules 10 du calculateur 1 et des autres équipements de l'hélico- ptère; - 8 - 2706152 - un circuit de commande de puissance 24 des actionneurs d'un axe de pilotage qui reçoit la valeur de la position du vérin série, et, du coeur numérique 20, les consignes de commande analogique à appliquer sur les actionneurs de l'axe de pilotage considéré; - un circuit d'alimentation 21 permettant d'alimenter en courant continu les différents circuits du module 10; et - un circuit de filtrage et de protection 22 contre les effets de la foudre et des rayonnements électromagnéti- ques qui protège notamment les commandes de puissance provenant du circuit de commande de puissance 24 destinées aux actionneurs de l'axe de pilotage. Le circuit de gestion des entrées et sorties 23 peut rece- voir notamment des données en provenance des autres équi- pements de l'hélicoptère, comme par exemple, de la centrale de verticale, des altimètres, des systèmes de navigation par suivi de balises de radionavigation, ou de mesure de la vitesse par rapport à l'air. Ces informations pourront être exploitées par le coeur numérique 20 pour exécuter des fonctions de plus haut niveau, comme par exemple des fonc- tions de navigation. Le coeur numérique 20 communique directement avec le poste de pilotage et les équipements de test par une liaison série. Il dispose de toutes les ressources matérielles et logicielles pour assurer les fonctions suivantes: - l'initialisation du module et du programme, l'ordonnancement temps réel et gestion des interruptions, - la gestion des ports d'entrée/sortie, de la mémoire, et du chargement du programme, - le calcul de la consigne de pilotage à appliquer sur les actionneurs auxquels il est connecté, à l'aide des lois de pilotage de l'axe considéré, _ 9 _ 2706152 - la maintenance du système et la gestion des tests à effectuer avant et pendant chaque vol, et - la gestion des liaisons séries qui lui permettent de communiquer avec les équipements de test et le poste de pilotage. La fonction de calcul des consignes comprend également des fonctions de pilotage de haut niveau, comme par exemple, des fonctions de navigation. Tel que représenté figure 4, le calculateur 1 comprend un boîtier parallélépipédique 16 fermé par une face avant 17 présentant trois ouvertures rectangulaires, et un socle de fixation 18. Dans ce boîtier peut être inséré un à trois modules 10 identiques se présentant sous la forme d'une carte électronique comportant notamment un connecteur multibroches mâle 5 accessible par l'une des ouvertures de la face avant 17. Comme les lois de pilotage à mettre en oeuvre sont diffé- rentes suivant les axes de pilotage, les fonctions de calcul des consignes et de test incluent des fonctions spécifiques à chaque axe de pilotage. Pour déterminer quelles sont les lois à appliquer, chaque module 10 recon- naît l'axe de pilotage qu'il doit traiter d'après le mode de connexion de son connecteur extérieur. De cette manière, aucune manipulation particulière n'est requise pour indi- quer à chaque module 10, quel axe de pilotage il doit contrôler. A cet effet, les connecteurs 5,6 comprennent un ensemble de points de connexion libres 25 (correspondant à une colonne de points sur le connecteur) qui sont utilisés pour permettre à chaque module de calcul de reconnaître l'axe de pilotage correspondant aux actionneurs et aux capteurs auxquels il est connecté, de manière à pouvoir s'auto- configurer. La figure 5 montre trois exemples d'intercon- - 1 - 2706152 - 10 - nexion entre les points de cet ensemble 25 réalisés sur le connecteur femelle 6 relié à l'environnement du module 10. Par ailleurs, le coeur numérique de chaque module 10 dispose d'une fonction d'auto-configuration qui se déclenche lors de la mise sous tension du module pour déterminer les interconnexions qui sont réalisées entre les points de cet ensemble 25 au niveau du connecteur femelle 6, chaque axe de pilotage correspondant à un schéma spéci- fique d'interconnexions. A cet effet, la fonction d'auto-configuration place successivement au niveau logique "1" chaque point de cet ensemble 25, et lit les niveaux logiques des autres points de ce même ensemble 25. Afin de garantir que deux modules ne puissent pas être affectés au même axe, la fonction d'auto-configuration établit un dialogue entre les modules du boîtier 11 au cours duquel chaque module émet un code d'identification de l'axe auquel il est connecté et vérifie qu'aucun autre module n'a émis le même code. Le circuit de commande de puissance comprend deux circuits indépendants, l'un permettant de commander le vérin série, tandis que l'autre commande le vérin de "trim". Le circuit représenté sur la figure 6 permet de commander le moteur du vérin série 2, à partir de la consigne élaborée par le coeur numérique 20 et convertie en consigne analogique par le circuit de gestion 23 des entrées/sorties. Ce circuit reçoit également en entrée, la valeur de la position du vérin série, qui passe préalablement par un circuit d'adaptation 42. La consigne analogique et la valeur de la position du vérin série sont tout d'abord additionnées par un sommateur 41 dont la valeur résultante attaque un générateur d'impul- sions 43. - 1- 2706152 Le signal en sortie du générateur d'impulsions 43 traverse un circuit d'adaptation 44, puis d'isolation galvanique 45, avant d'être traité par un amplificateur de puissance à pont en H 46. Le signal ainsi amplifié est ensuite envoye, au travers d'un filtre en L 50 au moteur du vérin série. L'amplificateur de puissance 46 est par ailleurs alimenté par une tension 54 de 28 volts par l'intermédiaire d'un circuit interrupteur 48 et d'un limiteur/disjoncteur de courant 47, et le signal qu'il délivre en sortie est envoyé au coeur numérique qui peut ainsi, notamment en phase de tests prévol, surveiller les commandes appliquées au vérin série au travers d'un autre circuit d'isolation galvanique 51. Par ailleurs, l'amplificateur de puissance à pont en H 46 utilisé dans le circuit de commande (figure 6) peut être inhibé par une action manuelle du pilote, soit directement par l'intermédiaire de l'entrée 56, soit en envoyant un signal 53 pour actionner l'interrupteur de coupure d'alimentation 48. La figure 7 représente le circuit de commande de puissance du moteur du vérin de "trim". Ce circuit reçoit en entrée, d'une part les commandes impulsionnelles élaborées par le coeur numérique qui fournissent le sens et la vitesse de rotation du vérin de "trim" 3, et d'autre part, des commandes logiques élaborées par un dispositif matériel 71, qui indiquent le sens de rotation du vérin de "trim". Ce dispositif 71 élabore ces commandes de sens à l'aide d'un comparateur à seuils, directement à partir de la position du vérin série 2 associé, auquel il est connecté. La position du vérin série 2 est ainsi comparée à zéro pour délivrer en sortie un signal logique représentatif du signe de la position du vérin série, relativement à une position centrale. Il convient ici de préciser que le dispositif 71 est complètement indépendant du coeur numérique. Par ailleurs, - 12 - 2706152 il est connecté à un capteur de position du vérin série (2) indépendant de celui qui est utilisé dans l'élaboration de la commande de puissance de ce vérin. Les commandes impulsionnelles et logiques sont envoyées, au travers d'un étage d'adaptation 70 et d'un étage d'isolation galvanique 72, à un amplificateur à pont en H 73. Une fois amplifiées, ces commandes attaquent le moteur du vérin de "trim" par l'intermédiaire d'un filtre en L 76, et sont envoyées au coeur numérique 20 par l'intermédiaire d'un circuit d'isolation galvanique 77. L'amplificateur de puissance est alimenté en 28 volts 79 de manière indépendante du reste du circuit de commande de puissance 24, par l'intermédiaire d'un interrupteur 75 et d'un limiteur/disjoncteur de courant 74. La commande du vérin de "trim" est ainsi sécurisée de plusieurs manières. Tout d'abord, l'amplificateur de puissance 73 est conçu de manière à ne délivrer un signal de commande du vérin de "trim" que si les commandes de sens élaborées d'une part par le coeur numérique 20 et d'autre part, par le dispositif matériel 71, indiquent le même sens. Si les sens de déroulement indiqués par ces commandes sont différents, le moteur de "trim" n'est pas commandé et reste donc bloqué. Ce moteur peut aussi être bloqué en coupant l'alimentation de l'amplificateur de puissance 73 par l'intermédiaire de l'interrupteur 75 commandé par le signal 80, ou en activant la commande d'inhibition 78 de l'amplificateur. De plus, les commandes de puissance sont isolées galvaniquement par l'étage 77, et sont envoyées au coeur numérique 20 qui peut alors vérifier que les commandes ainsi générées sont cohérentes avec la position du vérin série. - 13 - 2706152 Grâce à ces dispositions, le circuit de commande de puissance comme représenté figure 7 est complètement indépendant du reste du circuit de commande de puissance 24. Ainsi, une panne du coeur numérique 20 ou du circuit de commande de puissance du vérin série 2 entraîne systématiquement le blocage du "trim". L'architecture matérielle et logicielle présentée précé- demment permet d'adapter très finement le dispositif de pilotage automatique aux caractéristiques de vol de chaque hélicoptère et à la mission à laquelle ce dernier est destiné. Ainsi, la figure 8 montre une configuration de calculateur 1 qui permet d'obtenir un dispositif de pilotage automa- tique simultanément sur les trois axes de pilotage. Pour cela, le calculateur 1 comprend trois modules 10, chacun étant relié d'une part, à son propre ensemble de capteurs, respectivement 30,35,36, et d'autre part, à ses propres actionneurs 2,3. Seules les chaînes de commande actives, 31 et 32, de chaque module 10, qui actionnent, respectivement, le vérin série 2 et le vérin de "trim" 3 ont été indiquées. Ces chaînes de commande incluent à la fois les fonctions correspondantes réalisées par le coeur numérique 20, ainsi que celles réalisées par le circuit de puissance 24 et le circuit 23 de gestion des entrées et sorties. Comme précédemment mentionné, ce dispositif de pilotage automatique peut réaliser des fonctions de pilotage de haut niveau. Pour cela, le calculateur peut être connecté à un boîtier de commande placé dans le cockpit. Ces fonctions de pilotage concernent: - le maintien de l'appareil à une altitude constante, - le maintien de la vitesse de l'appareil, - le maintien d'un cap, - le suivi de balises de radionavigation,... - 14 - 2706152 REVENDICATIONS 1. Dispositif de pilotage automatique d'un aéro- dyne faisant intervenir au moins un calculateur numérique recevant des informations émanant d'un ensemble de capteurs, et assurant la commande d'actionneurs agissant sur les gouvernes, caractérisé en ce que le calculateur (1) comprend au moins un module de calcul (10) autonome disposant de ressources matérielles et logicielles aptes à assurer le pilotage selon l'un quelconque des trois axes de pilotage, ce module (10) disposant de moyens pour se rendre spécifique d'un axe déterminé parmi lesdits axes de pilotage, et des moyens de connexion (5) pour se connecter aux capteurs (4) et aux actionneurs (2,3) correspondant audit axe déterminé. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour définir un code d'identification propre à chaque axe de pilotage, chaque module comprenant des moyens de lecture de ce code d'identification afin de s'auto-configurer en fonction de l'axe selon lequel il doit assurer le pilotage. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de connexion (5) présentent une multiplicité de points de connexion, et coopèrent avec un connecteur extérieur (6) rassemblant les extrémités des liaisons électriques reliées à l'ensemble des capteurs (4) et aux actionneurs (2,3) correspondant à30 un axe de pilotage, les moyens pour définir un code d'identification propre à chaque axe de pilotage étant réalisés en interconnectant, selon un schéma spécifique à chaque axe, un ensemble prédéterminé de points de connexion (25) du connecteur extérieur (6). 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, - 15 - 2706152 caractérisé en ce que chaque module de calcul (10) comprend: - un coeur numérique 20 comportant un microprocesseur commandé par un logiciel identique quelque soit l'axe selon lequel il doit assurer le pilotage, un circuit de commande de puissance (24) qui lui permet de commander directement les actionneurs (2,3), - un circuit d'alimentation (21), - un circuit de gestion des entrées et sorties (23), et - un circuit de filtrage et de protection contre les effets de la foudre et des rayonnements électromagnétiques (22). 5. Dispositif selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que chaque module de calcul (10) est réalisé en une seule carte électronique comprenant lesdits moyens de connexion (5). 6. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le calculateur (1) ne comporte aucun connecteur interne assurant une interconnexion entre les modules (10), des interconnexions entre modules pouvant être réalisées au niveau de leurs connecteurs extérieurs (6) respectifs. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les actionneurs (2,3) pour chacun des axes de pilotage sont composés d'un vérin série (2) dont le mouvement est très rapide et l'autorité faible, placé en série sur la timonerie des gouvernes considérées, et d'un vérin de "trim" (3) dont le mouvement est plus lent et de pleine autorité, capable de déplacer l'ensemble de la timonerie desdites gouvernes pour recentrer la position du vérin série 2, et en ce que le circuit de commande de puissance (24) comprend des moyens pour élaborer les commandes de puissance du vérin série (2) et du vérin de - 16 - 2706152 "trim" (3), à partir de consignes calculées par le coeur numérique (20), à l'aide des lois de pilotage, et à partir de la valeur de la position du vérin série (2). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le circuit de commande de puissance (24) comprend des moyens pour commander le vérin de "trim" (3), uniquement si la commande à appliquer au "trim" est cohérente avec la position du vérin série (2). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la consigne de commande du vérin de "trim" (3) appliquée par le coeur numérique (20) au circuit de commande de puissance (24) est constituée d'une vitesse et d'un sens de rotation, et en ce que le circuit de commande de puissance (24) comprend des moyens (71) pour élaborer une autre commande de sens rotation du "trim" à partir de la valeur de la position du vérin série (2), et des moyens pour commander le vérin de "trim" (3), uniquement si les deux commandes de sens de rotation du vérin de "trim" (3) sont identiques.