Brevet FR2819783A1 — publié le 20020726

La présente invention concerne une installation d'affichage frontale d'un aéronef, générant des symboles de la position de tangage, ces symboles étant affichés par l'afficheur frontal sous la forme d'une image virtuelle, derrière la vitre du cockpit dans le sens du vol, dans un plan si- tué devant le fond Les pilotes d'un aéronef par exemple d'un avion ou d'un hé- licoptère nécessitent des assistances de vol dans le cockpit lorsqu'ils inter- viennent de nuit ou dans de mauvaises conditions météorologiques comme par exemple du brouillard ou de la pluie. Ces assistances de pilo- tage sont indispensables notamment en vol à basse altitude. Parmi ces assistances de pilotage, on a l'installation d'affichage frontal (encore ap- pelée installation HUD). L'installation d'affichage frontal (HUD) est une installation technique à l'aide de laquelle on combine artificiellement des contenus d'affichage obtenus de manière technique avec le champ de vi- sion naturel direct. Une telle installation HUD comprend au moins un généra- teur de symboles calculant les symboles de vol nécessaires, un projecteur qui, à partir des calculs, génère les symboles de vol et les projettent fina- lement sur l'afficheur frontal (surface d'affichage), c'est-à-dire sur une vi- tre semi-transparente pour donner une image virtuelle des symboles de vol. Cette surface d'affichage permet au pilote de voir l'environnement à travers la surface d'affichage tout en ayant en même temps dans la direc- tion de visée et à distance de ses yeux, dans le plan image, une image virtuelle lui permettant l'observation simultanée des symboles de vol géné- rés et de l'environnement, sans nécessiter d'accommodation (refocalisation de la lentille oculaire). L'image virtuelle se forme à l'extérieur de la vitre du cockpit (lorsqu'on regarde en tant que pilote). Cette image virtuelle n'est pas formée par des pixels, mais en graphiques linéaires dans le plan image. Un élément fonctionnel, essentiel de l'ensemble de l'installation HUD est la surface d'affichage (encore appelée afficheur frontal ou en abrégé HUD) qui se trouve dans la direction de visée du pi- lote et dans laquelle on insère des symboles de vol que le pilote perçoit alors en dehors de la vitre du cockpit. La publication " Richard L. Newman, Head-Up-Displays- Designing the way ahead ", Edition Avebury Aviation, Ashgate Publishing Ltd, Gower House, Croft Road, Aldershot, Hants GU11 3HR, G.B, Richard Newman 1995, ISBN 0-291-39 811-1, décrit des symboles de vol connus pour l'assistance au vol à l'aide de l'afficheur HUD. On envisagera ci-après de préférence les symboles de position de vol, c'est-à-dire les symboles correspondant à la position de tangage. La position de vol évoquée ci-après correspond à la position de tangage. Le dispositif HUD est lié aux trois axes de coordonnées d'un engin volant. L'axe d'espace, imaginaire correspondant à la direction lon- gitudinale de l'engin est l'axe longitudinal de l'engin encore appelé axe longitudinal X. Si l'engin ou aéronef est en position horizontale à la sur- face du sol, l'axe longitudinal X est dirigé vers l'horizon naturel. Le centre des yeux du pilote se trouve également sur l'axe longitudinal X. L'axe lon- gitudinal X et l'horizon naturel sont sensiblement concordants. Cette po- sition de l'aéronef est également celle correspondant à un vol horizontal. Le vol horizontal correspond à une position de vol neutre. Par rapport à un vol horizontal, le dispositif HUD est prévu dans le cockpit, de sorte qu'il se situe dans la direction de l'axe longitudi- nal X; ainsi l'horizon naturel passe essentiellement au milieu de la sur- face d'affichage artificielle. L'horizon naturel est représenté par la ligne neutre (ligne d'horizon sur une échelle dite de tangage). Cette échelle cor- respond essentiellement à des symboles linéaires (par exemple des traits). La ligne neutre de cette échelle de tangage se trouve toujours à la hauteur de l'horizon naturel. A l'intérieur de cette échelle de tangage, le dispositif HUD porte également le symbole de l'avion comme barre horizontale en deux parties. Le symbole de l'avion se situe suivant l'axe longitudinal X de l'avion (aéronef). Le symbole de l'avion correspond au point d'intersection fictif de l'axe longitudinal imaginaire X et du dispositif d'affichage HUD. Il faut que le pilote règle le symbole de vol sur la ligne neutre pour un vol horizontal. S'il quitte le vol horizontal, le symbole de l'avion constitue un signe de référence fixe, la ligne neutre de l'échelle de tangage se décalant par rapport au symbole de l'avion. La position de tangage est ainsi une information importante pour le pilotage; cette information est nécessaire au pilote pour comman- der son avion. De façon connue, le symbole de la position de tangage est formé par la ligne neutre de l'échelle de tangage et le symbole de l'avion est une référence fixe. Ces deux éléments constituent le symbole de la po- sition de tangage. A l'aide d'une échelle angulaire représentée de manière supplémentaire, le pilote peut connaître la position de tangage de l'avion par rapport à l'horizon à partir de la différence entre le symbole de vol et la ligne neutre. L'atterrissage d'un avion ou aéronef constitue une phase de vol critique nécessitant une attention et des manoeuvres précises du pi- lote. Sous cet aspect, il peut être intéressant d'installer le dispositif HUD plus bas par rapport à l'axe longitudinal fixe X, en d'autres termes, à proximité du bord inférieur du champ de vision du pilote pour mieux tenir compte de la direction de visée caractéristique pour l'atterrissage. On rencontre ainsi la difficulté qu'à la fois la ligne neutre et le symbole de l'avion, en cas de vol horizontal se trouvent au-dessus de la surface d'affichage de l'afficheur HUD. La représentation conventionnelle de la position de tangage devient ainsi impossible. On pourrait décaler l'échelle de tangage avec la ligne neutre qui jusqu'alors était identique à la ligne d'horizon naturelle, également en dessous de la ligne d'horizon. En conséquence, on renoncerait ainsi à la référence à l'horizon naturel vrai. Cela n'est toutefois pas habituel pour les avions ou aéronefs. Cela peut entraîner des erreurs d'interprétation de la position de vol effective (position de tangage) et entraîner des états de vol incontrôlés. Si l'on dispose de la surface d'affichage de l'afficheur HUD en dessous de l'horizon naturel (pour la position de vol neutre), le pro- blème est que l'on ne peut plus utiliser les symboles habituels de la posi- tion de tangage, car ces symboles se rapportent toujours à l'horizon. La présente invention a pour but de développer des moyens permettant de représenter un symbole de position de tangage, non équivo- que pour le pilote, par une surface d'affichage d'un afficheur HUD, qui pour la position de vol neutre de l'avion, se trouve en dessous de l'horizon naturel. A cet effet, l'invention concerne une installation du type dé- fini ci-dessus, caractérisée en ce que dans le plan image, on forme le sym- bole de la position de tangage avec au moins une surface de représentation de la position de tangage, disposée en perspective, cette surface pouvant être en permanence installée parallèle à la surface ter- restre, le bord arrière de la surface représentant la position de tangage étant fixé de manière pivotante sur un axe de bord arrière pour que la surface de représentation de la position de tangage puisse pivoter autour du bord arrière dans le plan image et l'arête avant indique la position de tangage par rapport à une échelle angulaire. L'installation d'affichage du symbole de la position de tan- gage selon l'invention offre l'avantage d'être d'une interprétation intuitive. Elle agit de manière non conventionnelle, ce qui exclut tout risque de confusion avec des éléments classiques. La surface de représentation de la position de tangage a l'avantage d'être correcte en perspective, directement par rapport au fond (terrain et/ou ciel). Ainsi l'ensemble de l'image est cohérent. De plus, la représentation en perspective de la surface d'affichage de la position de tangage conduit à un effet de compression optique de la plage angulaire affichée. On peut ainsi représenter une plage angulaire relativement grande sur une petite surface d'affichage de l'installation HUD. L'installation d'affichage du symbole de la position de tan- t5 gage offre les avantage suivants: - l'information de la position de tangage n'est pas rapportée à l'horizon, - la référence de la position zéro se trouve toujours dans la plage d'affichage, - le symbole est plus cohérent que dans l'état de la technique, ce qui rend l'affichage plus visible, - l'information de la position de tangage peut être positionnée à un em- placement quelconque de la surface d'affichage. De manière avantageuse, la surface de représentation de la position de tangage se représente avec une surface de référence de la po- sition zéro et le bord arrière de cette surface de référence de la position zéro est fixe et est combiné à l'arête arrière de la surface de représentation de la position de tangage; la surface de référence de la position zéro est fixe et son arête avant indique la position de la ligne neutre. L'installation d'affichage du symbole de la position de tan- gage peut se positionner librement dans la plan image. Selon un autre développement, au-dessus du symbole de la position d'affichage, on peut représenter un symbole de la position de rou- lis. Le symbole de la position de roulis est représenté par un symbole en forme de trait mobile et un symbole en forme de triangle fixe. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 montre un dispositif d'une surface d'affichage d'un afficheur frontal avec un symbole de position de tangage et la représentation dans le plan image pour des positions de vol différentes selon l'état de la technique, - la figure 2 montre les rapports géométriques au niveau de la surface d'affichage de la position de tangage pour un angle 0 = 0 , - la figure 2a montre les conditions géométriques sur la surface de repré- sentation de la position de tangage en cas de relèvement de l'hélicoptère, - la figure 2b montre la surface de représentation de la position de tan- gage comme le perçoit le pilote de l'hélicoptère pour des angles de tan- io gage différents (0), - la figure 3 montre un symbole avantageux de la position de tangage, - la figure 4 montre les conditions géométriques au niveau de la surface de représentation de la position de tangage, - la figure 5 montre une disposition décalée de la surface d'affichage de l'afficheur frontal, par rapport à l'axe longitudinal X, avec le symbole de la position de tangage selon l'invention dans le plan image pour des po- sitions de vol différentes. La figure 1 montre le contour K d'une partie du cockpit d'un hélicoptère; la figure montre la vitre S du cockpit et la surface d'affichage 20 (HUD). L'origine du système de coordonnées solidaire de l'hélicoptère et qui sera utilisée ci-après se trouve dans l'oeil A du pilote. L'axe situé dans la direction longitudinale de l'hélicoptère correspond à l'axe longitudinal X de l'hélicoptère. L'axe vertical perpendiculaire à l'axe X est l'axe vertical Z. L'axe Y est l'axe transversal. Cet axe n'est pas représenté, car il ne parti- cipe pas directement aux explications. L'axe longitudinal X est dirigé vers l'horizon naturel (ou li- gne d'horizon) 2. Dans la direction de visée du pilote, l'installation HUD forme à une certaine distance de l'oeil A, une image virtuelle, incrustée, qui se représente dans un plan image 1. Trois positions de tangage sont présentées ensuite: - angle d'inclinaison 0 degré - angle d'inclinaison 10 degrés - angle d'inclinaison -10 degrés. Selon l'état de la technique, le symbole connu de la position de tangage 4 est représenté comme image virtuelle. Dans le plan image 1, on a représenté une ligne d'horizon 2 qui coïncide avec la ligne d'horizon naturelle. Pour commander l'hélicoptère en vol horizontal, le symbole 3 de l'avion est fixé dans le plan image 1 sensiblement sur la ligne d'horizon 2. Cette ligne d'horizon est appelée ligne neutre. Pour un angle de tangage positif (10 degrés) de l'hélicoptère, la ligne d'horizon 2 passe sous le symbole 3 de l'avion. Pour un angle de tangage négatif (-10 ), la ligne d'horizon 2 se déplacerait au-dessus du symbole 3 de l'avion. La figure 1 correspond ainsi à l'état de la technique. Si on place la surface d'affichage 1 en dessous de l'axe longitudinal X et ainsi en dessous de la ligne d'horizon 2, en vol horizontal, le symbole de la position de tangage ne sera plus affiché. La présente invention a pour but d'éviter cet inconvénient de l'état de la technique. Une installation d'affichage frontale est nécessaire pour l'invention et elle sera décrite dans son application à un hélicoptère. L'installation d'affichage frontale se compose dans le présent exemple de réalisation, par exemple d'au moins un laser, un modulateur d'image, d'un diviseur de faisceaux, d'un hologramme de projection et d'un holo- gramme de représentation. L'hologramme de projection et l'hologramme de représentation sont avantageux. L'hologramme de représentation corres- pond à la surface d'affichage 20 du dispositif HUD et se trouve sur une feuille placée sur la vitre 5 du cockpit de l'hélicoptère. L'invention peut toutefois également se réaliser si à la place de la feuille, on utilise la vitre semi-transparente, usuelle. Toutefois, la feuille est d'une manipulation plus rationnelle. La plage de visée du pilote est dirigée vers l'avant à travers la vitre du cockpit. La feuille se trouve ainsi légèrement en dessous de l'axe longitudinal X de l'hélicoptère. Cela est prévu pour favoriser notamment lors de l'atterrissage, de manière er- gonomique, la direction de vue, préférentielle, légèrement inclinée. Cette installation d'affichage frontale génère une image spatiale virtuelle représentée selon la visée du pilote, dans la direction de l'axe longitudinal X, derrière (c'est-à-dire à l'extérieur) de la vitre du cock- pit dans le plan image. Cette image virtuelle correspond à un symbole de position de tangage, affiché de l'hélicoptère et de l'échelle à degrés angulai- res correspondants. Le principe de l'affichage de la position de tangage sera pré- senté à l'aide de la figure 2, c'est-à-dire que le symbole de la position de tangage sera décrit et représenté à l'aide d'un plan virtuel. Ce plan virtuel qui est toujours aligné sensiblement parallèlement à la surface de la terre est appelé surface de représentation de la position de tangage 7. Dans ce contexte, le système de coordonnées solidaire de l'hélicoptère facilite la compréhension. L'origine de ce système de coordon- nées se trouve dans l'oeil du pilote installé dans le cockpit de l'hélicoptère 50. On a représenté l'axe longitudinal X et l'axe vertical Z qui lui corres- pond. Le bord arrière 6 de la surface virtuelle appelée surface de repré- sentation de la position de tangage 7 se trouve à l'extrémité de la ligne de référence 5 non visible, qui correspond à un angle constant et possède une longueur constante dans le système de coordonnées solidaire de l'hélicoptère. Le bord arrière 6 est en même temps l'axe de rotation imagi- naire fixe de la surface virtuelle. Le bord avant 8 de la surface de repré- sentation virtuelle de la position de tangage 7 peut se déplacer librement. La surface de représentation virtuelle de la position de tangage 7 est diri- gée lorsque la position de tangage change, principalement de façon à être toujours horizontale (parallèle) de la surface 9 de la terre. Le pilote voit la surface de représentation virtuelle 2, la position de tangage 7 en deux di- mensions. Comme symbole de la position de tangage, le pilote voit une surface de représentation de la position de tangage 7 qui correspond à la projection 10 de la surface virtuelle 7 sur un plan image 100 dans le plan Z. On peut indiquer les quatre coins de la surface de représentation 7 de la position de tangage comme angle par rapport à l'oeil du pilote. La figure 2a montre une position de vol caractérisée par un léger relèvement de l'hélicoptère. Bien que les dimensions et la géométrie de la surface de représentation virtuelle de la position de tangage 7 soient constantes, pour le pilote, la géométrie de la projection 10 change et ainsi la vue que le pilote a de la position de la surface de représentation vir- tuelle de la position de tangage 7. Par rapport à la position neutre, l'image de la surface de représentation de la position de tangage 7 bascule autour de l'axe de basculement 6 dans le plan image, vers le haut. Au contraire, si l'hélicoptère baissait le nez, la surface de représentation de la position de tangage 7 descendrait par rapport au plan image 100. Une telle situa- tion de basculement de la surface de représentation de la position de tan- gage 7 est représentée à la figure 2b. Le basculement se fait autour de l'arête ou bord arrière 6 situé sur un axe de bord arrière 60 fixe, imagi- naire. Une échelle angulaire 12, incrustée, montre la modification de la projection 10 de la géométrie de la surface de représentation de la position angulaire 7 en fonction d'un premier angle de tangage ( compris entre 0 et -30 . Le bord avant 8 de la surface de représentation 7 de la position de tangage fonctionne comme un index. La figure 2b montre comment appa- raît pour le pilote, la projection 10 de la surface de représentation de la position de tangage 7 sur le plan image 100. Pour qu'à chaque variation de position de l'avion, le pilote puisse immédiatement comparer par rapport à la position de vol neutre, on affiche une seconde surface virtuelle. Cette seconde surface virtuelle est fixée dans le moyen d'affichage. Cette surface virtuelle est appelée surface de référence fixe de la position zéro. La surface de référence fixe de la position zéro est invariable et montre la géométrie de la projection de la surface pour une position de vol de 0 . L'arête arrière de la surface de réfé- rence fixe de la position zéro est regroupée avec l'axe de basculement de la surface d'affichage de la position de vol. La figure 3 montre une telle re- présentation. Dans un plan image 100 qui correspond à une surface de représentation, on a donné un symbole de la position de tangage 1 1 qui représente la position de tangage de l'avion. La figure 3 montre la réalisa- tion avantageuse de l'invention. La surface mobile est la surface de représentation de la po- sition de tangage 7. Cette surface est un symbole mobile. L'arête avant 8 de la surface de représentation de la position de tangage 7 indique au pi- lote l'angle de tangage instantané 3 de l'hélicoptère. Cet angle de tangage se lit sur la graduation angulaire 12 placée à côté. L'arête avant 8 remplit ainsi la fonction d'un index pour la position actuelle de tangage. La surface fixe est la surface de référence fixe de la position zéro 13. Son arête arrière est identique à l'arête arrière 6 de la surface de représentation de la position de tangage 7. Comme la surface de référence de la position zéro 13 est fixe, il en est de même de son bord avant 14. Le bord avant 14 représente la ligne neutre. Le cadre de la surface de référence qui fixe la position zéro 13 peut être affiché par exemple en couleur orange. La luminosité peut diminuer de 50 % vers l'arrière pour accentuer la transparence (et ainsi l'impression de perspective). Le cadre de la surface de représentation de la position de tangage 7 peut être représenté par exemple en couleur verte et la luminosité de ce cadre diminue également de 50 % pour augmenter la transparence. L'échelle angulaire 12 est prévue à droite et à gauche du symbole 11 représentant la position de tangage. De manière avantageuse, l'échelle angulaire 12 est subdivisée en graduations de 10 . Les repères de -10 , 0 et +10 sont toujours représentés; les autres repères ne sont re- présentés que si cela est nécessaire. De cette manière, on ne représente que les informations nécessaires et le plan image 11 reste clair. Les traits verticaux sur les repères d'échelle sont dirigés vers la ligne neutre. Ainsi, il apparaît ainsi toujours clairement la direction dans laquelle il faut com- mander pour reprendre une position de vol neutre. Les repères de la plage positive sont par exemple en couleur bleue, ceux de la plage négative par exemple en couleur brute. Un symbole en forme de triangle est prévu au-dessus de la surface de représentation de la position de tangage 7 pour indiquer l'angle de roulis. Au-dessus de ce symbole se trouve un trait vertical 16; le trait 16 tourne avec les surfaces virtuelles 7, 13. Le triangle 15 conserve sa po- sition absolue sur le plan image 1 lorsque l'hélicoptère subit un mouve- ment de roulis. Le symbole de la position de roulis est donné par exemple en couleur jaune. La surface de représentation de la position de tangage 7 est avantageusement en liaison avec la surface de référence de la position zé- ro, fixe 13 et l'échelle à graduations angulaires 12 constitue le symbole de la position de tangage 1 1. La figure 4 montre sous la forme d'une esquisse les rela- tions géométriques concernant la surface de représentation de la position de tangage 7. Les relations géométriques pour le calcul de l'angle vertical (autour de l'axe Y du système de coordonnées solidaire de l'hélicoptère) apparaissent à la figure 4. On a ainsi: * sin(oa+ 0) = a + arcsin tesin +) c c =.t2+e2 -2et e.cos(x+0) Dans ces formules, P est défini dans le système de coordon- nées solidaire de l'hélicoptère comme décrit. Cet angle indique la position verticale de l'arête avant de la surface (autour de l'axe Y). La position de l'arête arrière est définie par (a également dans le système de coordonnées solidaire de l'hélicoptère. Pour l'angle horizontal (autour de l'axe X), on considère le plan horizontal passant par l'oeil, vers l'arête avant ou l'arête arrière de la surface, ce qui donne les angles horizontaux selon la figure 4 par les for- mules suivantes: angle de l'arête avant par rapport à l'horizontale: ac/2=arctan 2S) angle de l'arête arrière par rapport à la direction horizon- tale: âc /2 = arctan (2.) Les formules donnée ici concernent un mouvement de tan- gage pur. Le mouvement de roulis est réalisé par la rotation de l'ensemble des symboles autour du centre de l'arête arrière 6. Les variables utilisées, leur signification ainsi que les éventuelles valeurs d'initialisation sont données dans le tableau suivant. Les valeurs d'initilisation s'obtiennent par des essais et peuvent être adaptées de manière quelconque. Ces valeurs définissent la position et la grandeur des symboles: Valeur Variable SignificationValeur d'initialisation distance entre le centre de l'oeil et l'arête avant C position de tangage de l'hélicoptère (coupe ver- 0 ticale) valeur de départ angle entre la ligne de visée neutre t la ligne de [3 visée vers l'arête avant (coupe verticale) angle entre la ligne de visée vers l'arête arrière e gauche et l'arête arrière droite (coupe horizon- tale) angle entre la ligne de visée vers l'arête avant gauche et droite (coupe horizontale) largeur de la surface 900m t longueur de la surface 2000m distance entre le centre de l'oeil et l'arête arrière 16000m angle compris entre la ligne de visée neutre et la ligne de visée vers l'arête arrière (coupe verti- 50 cale) Les formules sont ainsi définies pour la représentation. La figure 5 est une représentation avec une surface d'affichage 200 positionnée plus bas que celle de la figure i et comportant des symboles de la position de tangage 11 selon l'invention dans le plan image 100 pour trois positions de tangage différentes. Les symboles de la position de tangage 11 correspondent à au moins une surface de représentation virtuelle de la position de tangage 7 qui se trouve en amont de l'hélicoptère et est alignée parallèlement à la surface de la terre. La position de cette surface de représentation virtuelle de la position de tangage 7 dans le plan image 100 peut se choisir libre- ment. La géométrie de cette surface de représentation virtuelle de la posi- tion de tangage 7 et une échelle à graduations angulaires 12 supplémentaire permettent au pilote d'interpréter sans aucun doute la position de tangage. La surface de représentation virtuelle de la position de tan- gage 7 peut pivoter autour d'un axe de rotation qui est fixe. Cet axe de rotation fictif, fixe, est identique à l'arête arrière 6 de la surface virtuelle affichée 7. L'installation de l'axe de rotation fictif sur l'arête arrière 6 a io l'avantage de pouvoir afficher l'angle de tangage négatif, vers le bas dans le plan image 1. L'angle de tangage à 10 degrés et celui à -10 degrés indi- quent comment la géométrie de la surface de représentation de la position de tangage 7 change par rapport à la position de vol neutre pour O degré. REVEND I CATI O NS 1 )Installation d'affichage frontale d'un aéronef, générant des symboles de la position de tangage, ces symboles étant affichés par l'afficheur frontal sous la forme d'une image virtuelle, derrière la vitre du cockpit dans le sens du vol, dans un plan situé devant le fond, caractérisée en ce que dans le plan image (100), on forme le symbole de la position de tangage (11) avec au moins une surface de représentation de la position de tangage (7), disposée en perspective, cette surface pouvant être en permanence installée parallèle à la surface terrestre (9), le bord arrière (6) de la surface représentant la position de tangage (7) étant fixé de manière pivotante sur un axe de bord arrière (60) pour que la surface de représentation (7) de la position de tangage puisse pivoter autour du bord arrière (6) dans le plan image (100) et l'arête avant (8) indique la position de tangage par rapport à une échelle angulaire (12). 2 ) Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface de représentation (7) de la position de tangage est représentée avec une surface de référence (13) correspondant à la position zéro et le bord arrière de la surface de référence de la position zéro (13) est réuni à l'arête arrière (6) de la surface de représentation de la position de tangage (7), la surface de référence de la position zéro (13) étant fixe alors que son bord avant (14) affiche la position de la ligne neutre. 3 ) Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le symbole de la position de tangage (11) peut être positionné librement dans le plan image (100).