Brevet FR2712563A1 — publié le 19950524

"Equipement d'un engin volant piloté par fil à partir d'un poste de commande, pour transmission bidirectionnelle de signaux par le fil" L'invention se rapporte à un équipement de bord d'un engin volant piloté par fil à partir d'un poste de commande, pour la transmission bidirectionnelle de signaux par le fil, celui-ci étant réutilisable, équipement où un magasin contenant une réserve de fil est prévu pour délivrer une longueur adéquate de fil déroulé de l'engin au poste de commande. Beaucoup d'engins volants ou missiles guidés par fil sont prévus pour être détruits en fin de trajectoire, celle-ci représentant d'ailleurs un trajet aussi court que possible entre le départ à proximité du poste de commande, et l'arrivée en fin de trajectoire. Le fil de guidage, ou conducteur de liaison, est lui aussi normalement perdu, et ne sert pratiquement qu'à envoyer à l'engin, depuis le poste de commande, les signaux nécessaires à l'adaptation de la trajectoire. Le fil est alors enroulé sur un touret et situé à l'arrière de l'engin, de manière à se dévider à vitesse nulle par rapport au sol, et à se poser progressivement sans risquer de s'accrocher à un obstacle. On évite ainsi le risque d'une rupture accidentelle du conducteur de liaison qui existerait, si le fil était tiré sur le sol à la vitesse de déplacement de l'engin. Une autre application d'engins volants téléguidés est constituée par des engins d'observation, équipés d'une caméra. Le conducteur de liaison permet alors un échange de signaux entre engin et le poste de commande, l'engin recevant des signaux de commande des paramètres de vol et d'orientation de la caméra, et émettant des signaux d'image. On peut limiter le poids embarqué à ce qui est nécessaire strictement au pilotage, à l'orientation de la caméra et à la transmission des signaux d'image, et utiliser des engins de taille réduite et de poids limité, en omettant tout ce qui, dans un aéronef classique, a trait à l'information, au confort et à la sécurité d'un équipage. Dans ce type d'application, l'usage d'un conducteur de liaison permet de s'affranchir de certaines contraintes des transmissions hertziennes à grand débit d'information, à savoir la nécessité d'aériens orientables directifs, les risques de brouillage et d'indiscrétions, et le poids des émetteurs embarqués. Ce type d'engin a l'avantage d'être récupérable, dès lors que le retour de l'engin à sa base de départ ne conduit pas à une surcharge du fait des équipements nécessaires. Même si on ne demande pas des engins volants d'observation de vitesses de croisière du même ordre que celle des missiles guidés par fil, les durées de vol doivent etre incomparablement plus longues (par exemple 1/4 d'heure à 25 m/s), de sorte que la distance parcourue pendant un vol (22 500 m selon l'exemple précédent) est supérieure de près d'un ordre de grandeur à celle des engins classiques guidés par fil. Il n'est donc pas question d'embarquer une longueur de conducteur de liaison correspondant à la distance parcourue en vol. I1 n'est d'ailleurs pas question non plus de dérouler depuis le poste de commande le fil attaché à l'engin qui devrait avoir une trajectoire sensiblement rectiligne et ne serait pas récupérable. Enfin les pertes dans un conducteur d'une telle longueur interdiraient une transmission en large bande. Comme un engin d'observation guidé par fil restera normalement dans une zone d'action limitée, on a proposé de limiter la longueur du conducteur de liaison déroulé et, lorsque cette longueur est déroulée, de faire évoluer l'engin en trajectoires bouclées telles que le conducteur de liaison soit soumis en permanence à une traction inférieure à une valeur de tension mécanique susceptible d'amener la rupture du conducteur, mais toutefois suffisante pour que la pente du conducteur soit toujours positive au sortir du poste de commande, de façon que le conducteur ne s'accroche pas à un obstacle. On notera que les réactions aérodynamiques sur le conducteur entrainé par l'engin ont pour effet d'écarter le conducteur de liaison du plan vertical qui contient le poste de commande et l'engin. On a montré expérimentalement qu'il existe des trajectoires pour lesquelles, avec une longueur fixe de conducteur de liaison, la tension mécanique du conducteur est maintenue entre une valeur maximale choisie, avec un facteur de sécurité, pour éviter un risque de rupture du conducteur, et une valeur minimale où la pente du conducteur est toujours positive, partant du poste de commande. On remarquera que, en raison de la faible masse linéique du conducteur de liaison, et des capacités d'accélération limitées d'engins volants réunissant la capacité d'emport nécessaire et la rusticité désirable, on pourra considérer que le conducteur est en conditions stationnaires, et que sa tension mécanique est sensiblement constante sur toute la longueur. Les trajectoires qui maintiennent la tension mécanique à une valeur intermédiaire entre les valeurs maximale et minimale évoquées précédemment, en maintenant fixe la longueur déroulée du conducteur de liaison, sont constituées de boucles enchaînées, qui permettent de maintenir l'engin dans une zone d'observation limitée utile. Toutefois ces trajectoires sont relativement rigides, et nécessitent un personnel entraîné pour les suivre. Elles peuvent se révéler inadéquates, soit que les scènes à observer se situent en dehors de la zone survolée, soit que les circonstances météorologiques (rafales de vent, par exemple) apportent aux trajectoires des perturbations inadmissibles. Enfin la récupération de l'engin volant peut être rendue difficile en raison de l'excédent de longueur du conducteur déroulé par rapport à la distance qui sépare le poste de commande et l'aire d'atterrissage. Si 1'engin lui-même peut être récupérable, le conducteur de liaison ne le sera pas. Or, il va de soi que, si l'on choisit un conducteur qui présente simultanément un diamètre et une masse linéique faible, une excellente ténacité, et une bande passante large, son prix exclura qu'on en perde à chaque vol quelques milliers de mètres. On a proposé (demande de brevet français nO 92 02030 du 23 février 1993 non encore publiée, et déposée par le même Demandeur avec le même inventeur que la présente demande), pour assurer une meilleure couverture de la zone survolée et permettre une récupération tant de l'engin volant que du conducteur de liaison, de disposer au poste de commande un touret portant des spires de réserve du conducteur équipé d'un moyen de dévidage-envidage couplé à un moteur, un détecteur de tension mécanique inséré sur un trajet du conducteur en sortie de touret et délivrant un signal image de tension, et un dispositif d'asservissement pilotant le moteur dans un sens qui ajuste le signal de tension sur un signal de consigne. Cette disposition permet de réduire au minimum le matériel embarqué, ce qui, å priori, autoriserait une réduction de dimensions et court de l'engin volant, et n'entraînerait pas de limitation de la longueur de fil en réserve, et donc de rayon d'action de l'engin. Or, dans la pratique, les dimensions et coQt de l'engin volant lui-même sont déterminés en premier lieu par le matériel d'observation et de mesure à embarquer, ainsi que par la capacité de durée de vol demandée. L'allègement procuré par la disposition de mise au sol du magasin de conducteur s'avère fréquemment secondaire. Par ailleurs, lorsque le magasin de conducteur de liaison est disposé au poste de commande, ce conducteur, au cours du vol de l'engin, se déplace par rapport à l'environnement à la vitesse de dévidage-envidage, en première approximation dans la direction magasin engin et à la vitesse radiale de celui-ci par rapport à l'emplacement du magasin. Or, si en altitude le déplacement longitudinal du conducteur ou fil de liaison dans l'air n'engendre, par traînée, qu'un supplément négligeable de tension, à proximité du magasin situé au poste de commande, le conducteur ou fil de liaison peut s'accrocher aux obstacles qui se présentent, tels qu'arbres et arbustes, pylônes divers, haies vives ou artificielles, constructions et autres. Si le fil conducteur de signaux vient à s'accrocher, il risque de se rompre quand l'engin s'éloigne du poste de commande, sans que l'asservissement du moyen de dévidage-envidage intervienne, et de prendre du mou lorsque l'engin se rapproche, ce qui accroît les risques d'accrochage. I1 faut donc qu'au départ du poste de commande, le fil conducteur présente une pente montant vers l'engin suffisante pour échapper aux obstacles proches. Or, comme on le sait, un fil de poids linéaire uniforme tenu à ses deux extrémités prend la forme dite de chaînette (cosinus hyperbolique) avec un paramètre qui est le rapport de la tension au poids linéique, homogène à une longueur. Pour une traction ou tension déterminée, telle que celle qui correspond à la consigne de l'asservissement, la forme prise par le fil conducteur est entièrement déterminée par les différences de coordonnées entre les extrémités, soit la distance horizontale et l'altitude relative de l'engin par rapport au poste de commande. On comprend que, à traction fixée, la condition de pente positive au poste de commande limite le rayon d'action et donc la longueur maximale de fil à dérouler. Pour permettre d'augmenter le rayon d'action de l'engin, l'invention propose un équipement de bord d'un engin volant piloté par fil à partir d'un poste de commande pour la transmission bidirectionnelle de signaux par le fil, celui-ci étant réutilisable, équipement où un magasin contenant une réserve de fil est prévu pour délivrer une longueur adéquate de fil déroulé de l'engin au poste de commande, caractérisé en ce que le magasin comporte un tambour où est enroulée la réserve, muni d'un mécanisme de dévidage-envidage entraîné par un moteur réversible, un moyen dynamométrique intercalé entre le mécanisme de dévidage-envidage et une filière par où le fil sort de l'engin, produisant un signal représentatif de la traction exercée sur le fil, et des moyens d'asservissement sensibles à ce signal représentatif de traction pour commander le moteur en dévidage-envidage en sorte de maintenir la traction sur le fil entre un maximum et un minimum. Etant donné qu'au départ du poste de commande le fil de liaison est immobile par rapport à l'environnement, les contraintes liées aux obstacles au sol à proximité du poste de commande sont très réduites, et la pente critique au poste de commande peut être réduite et même occasionnellement annulée sans inconvénients de sorte que la longueur de fil déroulée peut être augmentée, ainsi que le rayon d'action. En outre, un accrochage du fil de liaison n'engendre pas un accroissement brusque de la traction sur le fil, puisque celui-ci était déjà immobile par rapport à l'obstacle, et de surcroît le moyen dynamométrique reste sensible à la traction sur le fil malgré l'accrochage. On peut ainsi accepter de régler la traction maintenue par l'asservissement à une valeur plus proche de la limite de rupture, le facteur de sécurité étant pris plus faible sans augmenter les risques de rupture. Selon une disposition préférée de l'invention, l'équipement comporte un appareil de navigation déterminant, dans un système de repérage géodésique, les coordonnées de position de l'engin raccordées à celles du poste de commande, un moyen, couplé au mécanisme d'envidage-dévidage, mesurant la longueur déroulée de fil, et des moyens de calcul adaptés à déterminer, à partir des coordonnées de position de l'engin et du poste de commande les distances horizontale et verticale entre ceux-ci et à en déduire, compte tenu de la longueur déroulée du fil, la pente au poste de la chaînette fermée par le fil1 le moyen d'asservissement étant en outre adapté à commander le moteur en sorte de maintenir la pente de chaînette entre deux valeurs préfixées, le maintien de la traction exercée sur le fil en deçà du maximum étant toutefois prioritaire. On comprend que, grâce à cette disposition, la traction sur le fil se trouve modulée par le maintien de la pente du fil au départ du poste de commande entre les valeurs préfixées, qui sont choisies telles que le fil ne risque pas de s'accrocher à des obstacles locaux sans toutefois exagérer cette pente, tandis que la limite de traction en maximum persiste et vient apporter une sécurité complémentaire. Par ailleurs, il sera fréquent que les missions imparties demandent une connaissance précise des coordonnées de l'engin dans un système de repérage géodésique, et par exemple l'utilisation d'un récepteur "GPS" (Global Positioning System) en liaison avec un réseau de satellites géodésiques. Dans ces conditions, les données issues de l'appareil de navigation et transmises au poste de commande seront utilisées directement à bord de l'engin, pour la détermination de la longueur déroulée de fil. De plus, les moyens de calcul qui exploitent les données reçues des satellites peuvent, au prix de faibles additions au programme de calcul, exécuter les calculs relatifs a la configuration du fil. D'autres caractéristiques, secondaires, et les avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est un schéma d'organisation d'un équipement selon l'invention la figure 2 est une représentation générale du pilotage d'un engin volant équipé selon l'invention. Selon le mode de réalisation de l'invention choisi et représenté sur les figures, l'équipement représenté schématiquement sur la figure 1 est embarqué à bord d'un engin volant 1 sur la figure 2, piloté par fil 19 à partir d'un poste de commande 2 dans son ensemble, ici représenté au sol. Le fil 19 est ici une fibre de verre de 0,2 mm de diamètre, à travers laquelle transitent notamment du poste de commande 2 à l'engin volant 1 les ordres de pilotage issus du poste de pilotage 2a, et de l'engin 1 au poste de commande 2, les données recueillies par l'engin volant, tels que des signaux vidéo fournis par une caméra vidéo embarquée, qui aboutissent à des organes d'exploitation de données schématisés ici par un écran de visualisation 2b. La fibre de verre 19 est fixée, au poste de commande, en tête d'un matériau 2d élastique, analogue à un scion, supporté par l'unité centrale 2c du poste de commande 2. Comme représenté figure 1, le fil 19 pénetre dans l'engin à travers une filière 18 en forme de trompette pour limiter la courbure du fil en fibre de verre l'entrée dans l'engin. Le fil comporte une réserve 10, bobinée sur un tambour 11, entraîné en rotation autour d'un axe lia par un moteur 12. Le fil est bobiné à spires jointives sur le tambour 11 grâce à un chariot de trancanage 13 déplacé parallèlement à l'axe lia par une rampe de trancanage constituée d'une vis mère 14, entraînée en rotation par un jeu d'engrenages 15 formant inverseur, avec un pignon d'entraînement 15a calé sur l'arbre lia. Sur le chariot de trancanage 13, le fil sortant de la réserve passe sur une premiere poulie 13a formant guide-fil et renvoi à 900 environ, tournant folle sur un axe solidaire du chariot 13, puis sur une seconde poulie 13k tournant également folle sur un axe fixé au chariot 13, au-delà de laquelle le fil se dirige vers la filière 18. Entre les poulies 13a et 13b, le fil passe sur une poulie 13c tournant folle sur un axe situé à l'extrémité d'un levier 13d pivotant sur l'axe d'un dynamomètre 13e qui comporte un ressort qui sollicite la poulie 13c à s'engager entre les poulies 13a et 13b. On comprend que la position angulaire du levier 13d est une image de la traction exercée sur le fil. Le dynamomètre 13e émet un signal fonction de la position angulaire du levier 13d, et donc représentatif de la traction exercée sur le fil 19. Au centre de la face du tambour 11 opposée au moteur 12, le fil aboutit à un coupleur optique tournant 17, bidirectionnel, et composé d'une partie 17a solidaire du tambour, et une partie 17k solidaire de l'engin, d'où sort un câble 17c pour la liaison différenciée aux appareillages émetteurs de signaux, et les appareillages récepteurs, notamment les commandes de vol. La partie 17a comprend un séparateur d'images en bout de fibre optique, avec une optique d'entree qui reçoit la lumiere émise par un transducteur électro-optique tel qu'une diode électroluminescente, et une optique de sortie qui dirige la lumière sur un transducteur opto-électronique, tel qu'un phototransistor. On comprendra que les transducteurs électro-optique et opto-électronique compris dans la partie 17b du joint optique 17 présentent une bande passante suffisante pour la transmission des données nécessaires. En outre, le microprocesseur est alimenté en données venant du poste de commande 2 via le fil 19, le joint tournant 17 et le câble de liaison 17c à travers une entrée 20a. Sur l'axe lla du tambour 11 est calé un compteurdécompteur de tours 16. Un microprocesseur 20, équipé d'une mémoire morte programmable électriquement (EPROM) 21, et d'une mémoire vive 22 reçoit les données issues du dynamomètre 13e et du compteur-décompteur de tours 16, et envoie des commandes à une paire d'amplificateurs de puissance 23, 24 qui alimentent le moteur 12 pour asservir la rotation du tambour 11, et le dévidage-envidage du fil 19 sur ce tambour à diverses conditions. En outre, l'équipement comprend un récepteur "GPS" 25 qui reçoit par un aérien 25b des signaux d'un réseau de satellites d'un système de repérage géodésique. Ce récepteur "GPS" 25 couplé au microprocesseur 20 traduit les signaux des satellites en coordonnées géodésiques tridimensionnelles, avec une précision relative inférieure au mètre. Par utilisation d'un récepteur analogue au poste de commande et envoi par le fil 19 des coordonnées géodésiques du poste de commande, le microprocesseur conserve en mémoire vive les distances relatives horizontale et verticale de l'engin volant 1 au poste de commande 2. Le microprocesseur 20, ici du type Intel N 80 C 196 k.B utilisé couramment dans les récepteurs "GPS", élabore les signaux de commande des amplificateurs 23, 24 suivant deux processus. A partir du dynamomètre 13e, il détermine la traction exercée sur le fil, et la compare à deux valeurs de seuil, un maximum correspondant à la traction que l'on ne doit pas dépasser pour ne pas risquer une rupture, et un minimum en dessous duquel le fil prend une forme indéterminée. Si la traction atteint le maximum, le moteur 12 est commandé en dévidage, et si la traction se réduit au minimum, le moteur 12 est commandé en envidage. Ces commandes sont prioritaires. Par ailleurs, le microprocesseur 20 élabore les commandes du moteur 12 pour optimiser la forme du fil 19 entre l'engin volant 1 et le poste de commande 2. On sait qu'un fil sans raideur et de masse linéique constante, tenu & ses deux extrémités prend la forme d'une chaînette ou cosinus hyperbolique. En coordonnées réduites, x et z du point courant. z = chx - 1 (1) en prenant pour origine le point le plus bas de la chaînette. Les coordonnées réduites sont liées aux coordonnées réelles altitude A et distance horizontale R du point courant à l'origine par les relations x = 1R et z = 1A (2) o o où 1o est une longueur de référence telle que le poids du fil qu'elle comporte soit égal à la traction exercée sur le fil en forme de chaînette. De l'équation 1, on déduit la pente du fil au point courant tga = shx (3) ainsi que la longueur de fil entre l'engin volant 1 de coordonnées xl et zl et le poste de commande 2 de coordonnées x2, Z2 1 = lo (six1 - shx2) (4) On observera qu'il subsiste une grandeur arbitraire pour passer du système rapporté à l'origine R = 0, A = o, et le système comprenant les positions relatives de l'engin volant 1 et du poste de commande 2, la traction sur le fil et la longueur de référence étant indéterminées. Mais si l'on se fixe la pente du fil tga2 au départ du poste de commande, l'indétermination disparaît et l'on a un système d'équation qui peut être résolu par le microprocesseur 20 en effectuant le changement de coordonnées correspondant aux positions relatives du poste de commande 2 et de l'engin volant 1. Par ailleurs, la longueur de fil déroulée entre le poste de commande 2 et l'engin volant 1 est une fonction biunivoque du nombre de tours en dévidage du tambour 11, dont le compte est tenu par le microprocesseur 20 à partir du compteur-décompteur 16, dès lors que le fil est bobiné régulièrement sur le tambour 11, cette fonction ayant pour paramètres le diamètre du fil 19, la longueur et le diamètre nu du tambour 11. Si D est le diamètre nu du tambour, m la longueur du tambour et d le diamètre du fil, et N le nombre de tours du fil en réserve, la longueur 1' en réserve est donnée par 1' = n (5) m d'où il est aisé de déduire la longueur déroulée, connaissant la longueur totale de fil. Le microprocesseur 20 compare périodiquement la longueur effectivement déroulée du fil, à la longueur calculée correspondant à la pente fixée tga2 au départ du poste de commande, compte tenu des distances horizontale et verticale entre le poste de commande 2 et l'engin volant 1, et va commander l'envidage ou le dévidage du tambour 11 pour ajuster la longueur effectivement déroulée sur la longueur calculée, pour amener la pente du fil au départ du poste de commande à la valeur fixée. En fait, les asservissements seront réglés pour que cette pente tga2 au départ du poste de commande reste comprise entre deux valeurs limites. On comprendra qu'ainsi les trajectoires décrites par l'engin volant 1 ne sont pratiquement plus soumises à des contraintes liées à la présence du fil de liaison. Pour fixer des ordres de grandeur, le fil 19 pourrait être constitué d'une fibre de silice enrobée d'un polymère, de diamètre extérieur 0,2 mm, qui présente une masse linéique de 90 g au kilomètre (90 tex), et peut supporter sans risque de rupture une traction d'au moins 6 Newtons (la longueur de référence atteint 7 km environ). Par ailleurs, un tambour 11 présentant une longueur entre joues de 50 mm, et un diamètre nu, ou diamètre de noyau de 50 mm peut accueillir 3,9 km environ de fibre optique de 0,2 mm de diamètre, le diamètre du bobinage atteignant 80 mm, et le nombre de tours sur le tambour plein étant de 18 750 tours. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée å l'exemple décrit, mais en embrasse toutes les variantes d'exécution. Notamment, la description a fait état d'un poste de commande au sol. Mais, le poste de commande pourrait être mobile, tel un véhicule sur terre, un bateau sur une étendue d'eau, ou meme un aéronef à vitesse compatible avec celle de l'engin volant, l'équipement du poste de commande avec un récepteur "GPS" permettant de rafraîchir les coordonnées du poste de commande 2 dans le microprocesseur, et de tenir à jour les distances horizontale et verticale de l'engin 1 par rapport au poste de commande 2. REVENDICATIONS 1. Equipement de bord d'un engin volant (1) piloté par fil (19) à partir d'un poste de commande (2) pour la transmission bidirectionnelle de signaux par le fil, celui-ci étant réutilisable, équipement où un magasin contenant une réserve de fil (10) est prévu pour délivrer une longueur adéquate de fil déroulé de l'engin (1) au poste de commande (2), caractérisé en ce que le magasin comporte un tambour (11) où est enroulée la réserve (10), muni d'un mécanisme de dévidage-envidage (13) entraîné par un moteur réversible (12), un moyen dynamométrique (13q, 13e) intercalé entre le mécanisme de dévidage-envidage (13) et une filière (18) par où le fil (19) sort de l'engin (1), produisant un signal représentatif de la traction exercée sur le fil, et des moyens d'asservissement (20, 23, 24) sensibles à ce signal représentatif de traction pour commander le moteur (12) en dévidage-envidage en sorte de maintenir la traction sur le fil (19) entre un maximum et un minimum. 2. Equipement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un appareil de navigation (25) déterminant, dans un système de repérage géodésique, les coordonnées de position de l'engin (1) raccordées à celles du poste de commande (2), un moyen (16), couplé au mécanisme de dévidage-envidage, mesurant la longueur déroulée de fil, et des moyens de calcul (21) adaptés à déterminer, à partir des coordonnées de position de l'engin (1) et du poste de commande (2), les distances horizontale et verticale entre ceux-ci, et à en déduire, compte tenu de la longueur déroulée de fil (19), la pente (tga2) au poste de commande de la chaînette formée par le fil, le moyen d'asservissement (20) étant en outre adapté à commander le moteur (12) en sorte de maintenir la pente (tga2) entre deux valeurs préfixées, le maintien de la traction du fil en deçà du maximum étant toutefois prioritaire. 3. Equipement selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'appareil de navigation est du type dit récepteur "GPS" (25) en liaison avc un réseau de satellites géodésiques. 4. Equipement selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le tambour (11) est monté rotatif autour d'un axe (ils) entraîné par le moteur (12), le mécanisme d'envidage-dévidage (13) comprenant en outre une rampe de trancanage (14) avec un guide-fil (13a) propre à assurer un bobinage régulier du fil (19) sur le tambour (11). 5. Equipement selon la revendication 4, caractérisé en ce que la rampe de trancanage (14) est adaptée à un bobinage à spires jointives sur le tambour. 6. Equipement selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que l'extrémité du fil en réserve aboutit, dans l'axe du tambour, à un coupleur (17) tournant assurant le passage de signaux dans les deux sens. 7. Equipement selon la revendication 6, caractérisé en ce que le coupleur tournant (17) comporte des coupleurs optiques. 8. Equipement selon une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le fil (19) est une fibre optique.