Brevet FR2855932A1 — publié le 20041210

SYSTEME D'AVERTISSEMENT AUDIOSPATIALISE POUR L'EVITEMENT DE COLLISION Le domaine de l'invention est celui des systèmes d'anticollision pour aéronefs, aussi bien pour des utilisations en vol que pour des utilisations au sol. Que ce soit pendant les phases de décollage, d'atterrissage ou de vol, il est bien entendu fondamental de prévenir le pilote d'un aéronef des mobiles susceptibles d'entrer en collision avec son propre appareil. Ces 10 mobiles sont soit d'autres aéronefs pendant les phases de vol ou des véhicules terrestres pendant les phases de décollage et d'atterrissage (véhicules de pistes, ...). Ce point est encore plus sensible lorsqu'il s'agit d'un aéronef militaire et que l'aéronef en cause est un hostile. Actuellement, une alarme sonore simple annonce au pilote qu'il 15 doit prendre connaissance en urgence d'informations relatives à une collision potentielle. Ces informations lui sont fournies par une visualisation présentant des données issues soit des capteurs embarqués (radars et systèmes optroniques) soit de données fournies par le contrôle aérien. Le pilote se fait alors une représentation mentale de la position de l'aéronef 20 représentant un danger de collisions d'avant d'agir correctement pour éviter la collision. Cette procédure est donc relativement complexe et lente dans un domaine o la rapidité de réaction peut s'avérer vitale pour la survie de l'aéronef. L'invention propose un système d'avertissement sonore permettant de remplacer le processus cognitif actuel par un processus intuitif o le pilote prend connaissance rapidement de la localisation d'un danger dans l'espace dans lequel évolue son aéronef. Ce système génère des canaux monophoniques qui couplés à des systèmes d'émission sonores 30 permettent de localiser la direction et la distance d'un objet dans l'espace. Cette perception sonore permet alors au pilote de prendre une décision rapide sur la manoeuvre d'évitement à effectuer. Plus précisément, I'invention a pour objet un système d'avertissement audiospatialisé pour l'évitement de collision pour aéronef, comportant: * Une unité électronique de traitement de la position des 5 différents mobiles se déplaçant au voisinage de l'aéronef, ladite unité possédant des moyens de calculs permettant de déterminer les mobiles présents dans l'espace de sécurité dudit aéronef, * Une première unité de génération d'au moins un premier signal 10 sonore spatialisé représentatif de la direction d'au moins un mobile présent dans ledit espace de sécurité, caractérisé en ce qu'il comporte également: * Une seconde unité de génération d'au moins un second signal sonore non spatialisé représentatif de la distance relative dudit 15 mobile dans ledit espace de sécurité, * Une unité électronique de mixage du premier signal sonore spatialisé et du second signal sonore non spatialisé produisant au moins deux canaux monophoniques. Avantageusement, le premier signal sonore spatialisé est de type icône sonore et le second signal sonore est composé d'impulsions sonores identiques, la durée entre deux impulsions successives étant représentative de la distance relative du mobile dans l'espace de sécurité. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles: * La figure 1 représente l'espace de sécurité d'un aéronef dans lequel se trouve un mobile constituant un danger potentiel. À La figure 2 représente le synoptique général du système d'avertissement audiospatialisé selon l'invention. À Les figures 3a, 3b, 3c et 3d représentent les différentes formes du signal non spatialisé en fonction de la distance relative du mobile dans l'espace de sécurité. La figure 1 représente l'espace de sécurité d'un aéronef A en vol. L'espace de sécurité Es représente le volume dans lequel aucun autre mobile ne doit se situer sans risque de collision pour l'appareil. Sur la figure 1, ce volume est figuré par une sphère de rayon D1. Bien entendu, ce 5 volume peut avoir des formes différentes dépendant essentiellement de la phase du vol, du type de vol effectué et de la mission de l'appareil. Il est évident qu'au sol, le volume de sécurité est réduit, compte-tenu de la faible vitesse de l'appareil, typiquement le rayon de la sphère de sécurité est alors de 500 mètres. En vol, ce rayon est plus important, de l'ordre de 5 10 kilomètres. Pour les avions d'arme ou les drones volant en formation, l'espace de sécurité peut avoir des formes complexes dans la mesure o par la nature même du vol, plusieurs avions évoluent à des distances proches et connues sans risques majeurs. La distance de sécurité peut ainsi être ramenée à 500 mètres. La distance peut encore être réduite pour certaines 15 opérations particulières comme le ravitaillement en vol. Une seconde sphère interne à la première de rayon D2 représente l'espace dit de danger critique ED dans lequel le risque de collision devient majeur. A titre d'exemple, pour un avion au sol, D2 vaut environ 50 mètres, pour un avion en vol, D2 vaut environ 500 mètres et enfin, pour un avion 20 volant en formation, D2 vaut environ 20 mètres. Dans un repère référencé sur l'appareil comme indiqué sur la figure 1, la position d'un autre appareil B est classiquement déterminé en coordonnées polaires par trois paramètres qui sont: * L'azimut Az, angle formé dans le plan de l'appareil A entre la 25 direction de l'appareil A et la projection du plan vertical contenant les appareils A et B. * L'élévation EL, angle formé dans le plan vertical précédent entre la projection précédente et la droite contenant les appareils A et B. a La distance D séparant les appareils A et B. La figure 2 représente le synoptique général du système d'avertissement audiospatialisé selon l'invention. Il comprend essentiellement: * Une unité électronique 11 de traitement de la position des différents mobiles se déplaçant au voisinage de l'aéronef, * Une première unité électronique 12 de génération d'au moins un premier signal sonore spatialisé, * Une seconde unité électronique 13 de génération d'au moins un second signal sonore non spatialisé, * Une unité électronique de mixage 14 du premier signal sonore spatialisé et du second signal sonore non spatialisé produisant au moins deux canaux monophoniques. L'unité 11 reçoit du système principal 2 de l'aéronef les coordonnées polaires des mobiles se trouvant dans l'espace aérien proche de l'appareil. Ces données sont obtenues soit par les capteurs propres de l'appareil (radars de bord et systèmes optroniques), soit fournies par le contrôle aérien au sol. Lorsque les informations sonores sont destinées à être transmises à des écouteurs placés dans un casque, ceux-ci bougent avec la tête du pilote. Par conséquent, pour restituer le son dans la bonne direction, on doit tenir compte des mouvements de la tête du pilote. Ceux-ci sont mesurés classiquement avec des dispositifs de détection de position de casque. Les informations provenant de ces 20 dispositifs sont alors transmises à l'unité 1 1 de façon que les coordonnées polaires soient alors calculées dans le repère du casque. L'unité comporte également une mémoire électronique contenant les caractéristiques de l'espace de sécurité Es et de l'espace de danger ED. A titre d'exemple, ces caractéristiques peuvent être les rayons D1 et D2 comme indiqué en 25 figure 1 dans le cas o les espaces de sécurité et de danger sont des sphères. Ces caractéristiques sont soit programmées par les calculateurs de bord en fonction de la phase du vol, soit adressées par le pilote lui-même au moyen d'un poste de commande 3, lui permettant ainsi de déterminer en fonction des circonstances les caractéristiques des espaces de sécurité et de danger les mieux adaptées à la 30 sécurité de l'appareil. Le poste de commande (3) comporte des moyens de programmation des caractéristiques de l'espace de sécurité et de danger critique. Dans ce cas, I'unité 11 peut en retour confirmer au poste de commande 3, par exemple au moyen de retours d'ordre optiques, que les caractéristiques demandées sont bien prises en compte. A partir des informations précédentes, une unité de calcul interne à l'unité 11 détermine la position des différents mobiles dans les espaces de sécurité et de danger. Si aucun mobile ne se trouve dans l'espace de sécurité, alors aucune information n'est transmise aux autres unités du 5 dispositif et les canaux monophoniques ne sont pas activés. Si au moins un mobile B se trouve dans l'espace de sécurité, alors la position relative du mobile le plus proche dans l'espace de sécurité est transmise aux unités électroniques 12 et 13. Techniquement, il serait possible de traiter plusieurs mobiles simultanément. Cependant, la génération de plusieurs sons 10 correspondant à des mobiles différents risquent de perturber la reconnaissance auditive du pilote. Aussi, il est plus efficace de générer un seul signal correspondant à un mobile unique correspondant au danger le plus immédiat. Cette position relative comprend deux types d'informations qui sont, d'une part, l'information de direction dudit mobile représentée par 15 ses coordonnées angulaires (azimut Az et élévation EL); et d'autre part, la distance relative du mobile dans l'espace de sécurité. Cette distance relative DR dépend de la distance D du mobile et de l'épaisseur des espaces de sécurité et de danger D1 et D2 dans la direction considérée. Lorsque le mobile se situe à l'intérieur de l'espace de sécurité mais 20 hors de l'espace de danger, on peut écrire: DR = (D-D2)/(D1-D2) Lorsque le mobile se trouve à l'intérieur de l'espace de danger, alors DR est une constante notée Dc. L'information de direction est transmise à l'unité électronique 12 de génération d'au moins un premier signal sonore spatialisé et l'information de distance relative est transmise à l'unité électronique 13 de génération d'au moins un second signal sonore non spatialisé. L'unité 12 élabore un premier signal sonore spatialisé dans la direction correspondant à celle du mobile B. L'élaboration d'un son spatialisé est aujourd'hui une technique bien maîtrisée. Cette élaboration passe par deux grandes étapes: * Génération électronique d'un premier signal sonore 35 monophonique, Application d'une fonction de spatialisation pour obtenir des signaux monophoniques spatialisés représentatifs de la direction du son, I'ensemble des signaux monophoniques constituant un signal sonore appelé icône sonore ou en terminologie anglo-saxonne earcon. Il existe deux grands types de génération du son spatialisé selon le mode de transmission à l'utilisateur. Lorsque le son est transmis au pilote au moyen d'écouteurs placés o10 dans son casque, ce qui est le cas pour les pilotes d'avions d'arme, on utilise alors les techniques de personnalisation permettant d'utiliser les fonctions de transfert dites HRTF (acronyme anglo-saxon pour Head Related Transfert Function). On sait que l'acuité de perception d'une source sonore spatialisée dépend fortement de son contenu fréquentiel. En effet, la perception 15 humaine de la direction de provenance d'un son ne peut être réduite à la simple perception auditive des deux récepteurs ponctuels des oreilles. Il faut également tenir compte de la déformation du contenu fréquentiel de la source due à la diffraction du son par le corps du sujet (pavillon des oreilles et aussi tête, cou, épaules, tronc,. ), différente pour l'oreille droite et l'oreille 20 gauche selon la direction du son. Aussi, pour restituer un son spatialisé de bonne qualité, une personnalisation est effectuée sur le sujet. On mesure ainsi la fonction de transfert liée à la tête appelée encore HRTF. Cette mesure permet d'appliquer exactement au signal monophonique initial les déformations fréquentielles adaptées pour obtenir les signaux sonores 25 spatialisés monophoniques représentatifs du son spatialisé censé provenir d'une direction donnée. Ces signaux sonores sont alors transmis par deux canaux monophoniques aux écouteurs placés sur les oreilles du sujet. Celuici appréhende alors le son comme provenant d'une direction précise de l'espace. Il est possible de remplacer une HRTF personnalisée par une 30 HRTF moyenne ou générique qui ne nécessite plus l'opération de mesure complexe et longue de la HRTF sur le sujet. On obtient cependant des précisions de localisation du son moindres...DTD: Lorsque le son est transmis au pilote par plusieurs haut-parleurs situés en cabine, ce qui est le cas notamment pour des avions civils, la 35 technique précédente ne peut plus être utilisée en l'état. Pour retrouver une spatialisation suffisante, on génère alors des earcons à contenu fréquentiel très riche avec un spectre de fréquence allant de 100 hertz à 2 kilohertz permettant à l'auditeur de percevoir facilement les changements spectraux qu'il interprète comme des déplacements de l'origine du son. Typiquement, une earcon est un son périodique dont la période est d'environ 2 secondes et qui contient à la fois des fréquences basses et élevées. Son spectre est choisi afin que l'earcon se détache facilement à la fois de l'ambiance sonore de la cabine et des autres alarmes. Lorsque le 10 mobile se déplace relativement à l'appareil et que par conséquent l'earcon doit indiquer des directions successives différentes, il est important que la fréquence de rafraîchissement de l'earcon soit suffisante pour que le pilote ne perçoive pas de saut brusque dans la direction du son. Cette fréquence doit être d'au moins 20 Hertz. La génération d'un son spatialisé est une opération très coûteuse en temps de calcul. On réalise en effet des opérations de convolution entre le son à générer et la fonction de transfert HRTF en temps réel. Pour réaliser cette fonction, il est possible d'utiliser un processeur de type POWER PC utilisant un jeu d'instructions permettant d'utiliser des calculs vectoriels. 20 L'unité électronique 13 génère un second signal sonore non spatialisé fournissant l'information de distance relative du mobile à l'aéronef. Il serait possible d'ajouter l'information de distance à l'earcon fournie par l'unité électronique 12 indiquant la direction du mobile. Cependant, compte 25 tenu des contraintes spectrales imposées, il serait difficile d'ajouter une modulation fréquentielle supplémentaire représentative de la distance relative. On pourrait également moduler l'amplitude du son. En effet, il a été établi qu'une variation du volume sonore proportionnelle à la racine carrée de la distance reproduisant la décroissance naturelle perçue lorsqu'un son 30 s'éloigne est un bon indicateur de la distance de la source. On peut pour compléter l'effet de la distance sur le son ajouter un filtrage spectral représentatif de la transmission atmosphérique. Mais ce codage présente des inconvénients. Il ne possède pas de référence intrinsèque et il est nécessairement perturbé dans l'environnement bruité d'un cockpit d'aéronef, 35 ne permettant pas une représentation précise de la distance du mobile. En produisant un second signal non spatialisé représentatif de la distance relative, on résout de façon simple ces différents problèmes. Il existe différentes formes possibles de ce signal non spatialisé. Avantageusement, le signal est composé d'impulsions sonores comme indiqué sur les figures 3a, 3b, 3c et 3d. La durée X des impulsions sonores est constante, typiquement de l'ordre de 100 millisecondes. Les impulsions sonores sont émises par exemple à une fréquence de 400 Hertz correspondant approximativement à la 10 note la. La durée 8 entre deux impulsions successives est représentative de la distance relative du mobile dans l'espace de sécurité. La durée séparant deux impulsions successives varie entre environ 1 seconde et environ 100 millisecondes. Typiquement, si T représente la durée maximale entre deux impulsions représentative de l'entrée du mobile dans l'espace de sécurité, on a la relation 15 simple: 8 = T. DR Les figures 3a, 3b, 3c et 3d sont représentatives de l'évolution de l'amplitude ICNS du signal non spatialisé en fonction de la distance relative du mobile par rapport à l'appareil. En figure 3a, le mobile est situé hors de l'espace de sécurité, aucune 20 amplitude n'est émise. En figure 3b, le mobile pénètre l'espace de sécurité, des impulsions sont émises, la durée séparant deux impulsions successives est de T secondes. En figure 3c, le mobile est à l'intérieur de l'espace de sécurité mais à l'extérieur de l'espace de danger critique, la cadence des impulsions s'est accélérée, la durée séparant deux impulsions successives est maintenant de 6 25 secondes. En figure 3d, le mobile pénètre l'espace dit de danger critique, le canal sonore non spatialisé généré pour un mobile pénétrant à l'intérieur dudit espace de danger critique est de nature différente du canal sonore non spatialisé généré à l'extérieur dudit espace. Le son est devenu continu. Ce type de signal présente l'avantage de donner au pilote non seulement 30 une notion de distance relative mais également une notion de vitesse relative. En effet, par exemple, si la fréquence des impulsions augmente, cela signifie que le mobile se rapproche. L'unité électronique 14 comporte des moyens électroniques permettant de mixer les signaux monophoniques spatialisés issus de l'unité 12 et le signal non spatialisé issu de l'unité 13 pour obtenir au moins deux canaux monophoniques qui seront envoyés aux systèmes d'émission sonore. Les amplitudes des sons émis correspondantes aux sons non spatialisé et spatialisé sont équivalentes de façon à optimiser la perception par le pilote. Ces systèmes d'émission 4 sont soit des écouteurs placés dans le casque du pilote, soit des haut-parleurs situés en cabine. La qualité de ces différents systèmes d'émission doit être irréprochable, c'est-à-dire avec une bande passante comprise entre 20 Hertz et 10 kiloHertz sans déformations 1o sensibles. Le système d'avertissement selon l'invention est principalement destiné à des applications aéronautiques embarquées, c'est-à-dire à des pilotes présents dans l'aéronef. Il est également possible de l'utiliser pour le 15 contrôle d'avions sans pilote. Dans ce cas, le système d'avertissement sonore est installé dans un centre de contrôle au sol. REVENDICATIONS 1. Système d'avertissement audiospatialisé (1) pour l'évitement de collision pour aéronef comportant: * Une unité électronique (11) de traitement de la position des différents mobiles se déplaçant au voisinage de l'aéronef, ladite unité (11) possédant des moyens de calculs permettant de déterminer les mobiles présents dans l'espace de sécurité 10 dudit aéronef, * Une première unité (12) de génération d'au moins un premier signal sonore spatialisé représentatif de la direction d'au moins un mobile présent dans ledit espace de sécurité, caractérisé en ce qu'il comporte également: a Une seconde unité (13) de génération d'au moins un second signal sonore non spatialisé représentatif de la distance relative dudit mobile dans ledit espace de sécurité, * Une unité électronique (14) de mixage du premier signal sonore spatialisé et du second signal sonore non spatialisé produisant 20 au moins deux canaux monophoniques. 2. Système d'avertissement audiospatialisé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier signal sonore spatialisé est de type icône sonore et comprend au moins deux signaux monophoniques 25 spatialisés. 3. Système d'avertissement audiospatialisé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second signal sonore est composé d'impulsions sonores identiques, la durée entre deux impulsions successives 30 étant représentative de la distance relative du mobile dans l'espace de sécurité. 4. Système d'avertissement audiospatialisé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la durée d'une impulsion vaut environ 1 00 millisecondes. 5. Système d'avertissement audiospatialisé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la durée séparant deux impulsions successives varie entre environ 1 seconde et environ 100 millisecondes. 6. Système d'avertissement audiospatialisé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'espace de sécurité comprend un espace intérieur dit de danger critique, le canal sonore non spatialisé généré pour un mobile pénétrant à l'intérieur dudit espace de danger critique étant de nature différente du canal sonore non spatialisé généré à l'extérieur dudit 15 espace. 7. Système d'avertissement audiospatialisé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le signal sonore non spatialisé généré pour un mobile pénétrant à l'intérieur de l'espace de danger critique est un 20 signal continu. 8. Poste de commande (3) pour aéronefs relié au système d'asservissement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de programmation des caractéristiques de 25 I'espace de sécurité et de danger critique.