Brevet FR3008804A1 — publié le 20150123

Equipement de tête muni d'un système de visualisation tête haute pour un opérateur notamment pour un cockpit d'aéronef La présente invention concerne un équipement de tête muni d'un système de visualisation tête haute pour un opérateur notamment pour un cockpit d'aéronef. De façon particulière, un tel équipement peut par exemple être formé par un casque ou autre, muni d'un système de visualisation dit tête haute pour un pilote d'aéronef civil et commercial, permettant l'affichage d'informations conformes au paysage devant au moins un oeil de ce pilote. Les informations conformes, également appelées symboles conformes, sont des symboles dont la position par exemple sur l'écran d'une visière du casque dépend de la position et de l'orientation de la tête du pilote dans le cockpit. Ces informations ou symboles conformes sont en effet affichés de façon à rester alignés sur une référence extérieure au casque comme par exemple une cible désignée dans l'environnement de l'aéronef. Lorsque les informations affichées sont critiques pour la sécurité d'un vol par exemple d'un aéronef, telles que des paramètres primaires de roulis, d'assiette etc., les autorités de certification et les avionneurs du domaine du transport civil et commercial imposent un niveau d'intégrité maximal de la chaîne d'affichage d'informations si le pilote est amené à piloter l'aéronef sans référence extérieure comme par exemple en régime IFR. Se pose alors le problème d'assurer l'intégrité maximale pour la position des symboles conformes dans l'image affichée et donc d'assurer le bon fonctionnement des instruments de calcul de la position de la tête de l'opérateur. Dans l'analyse préliminaire des risques d'un système de visualisation de ce type, pour obtenir un niveau d'intégrité maximal, il faut imposer une sévérité catastrophique pour les modes de panne menant à un affichage erroné non détecté par la pilote concernant les informations critiques. Dans l'état de la technique, aucune solution connue de système d'affichage tête haute n'apporte un niveau d'intégrité suffisant permettant d'éviter ces modes de panne classés catastrophiques pour des paramètres affichés critiques et conformes. Aucune solution opérationnelle n'existe actuellement dans le domaine du transport civil que les aéronefs soient des avions ou des hélicoptères. En effet, les solutions actuelles soit proposent des casques non conformes soit concernent des applications militaires ne demandant pas un niveau aussi élevé d'intégrité. Le but de l'invention est donc de résoudre ces problèmes. A cet effet, l'invention a pour objet un équipement de tête muni d'un système de visualisation tête haute pour un opérateur notamment dans un cockpit d'aéronef, du type comportant : - des moyens d'acquisition d'informations à afficher ; - des moyens de détection de la position et de l'orientation de la tête de l'opérateur dans le cockpit de l'aéronef ; - des moyens de détermination et de calcul des informations à afficher, et - des moyens d'affichage de ces informations devant au moins un oeil de l'opérateur, caractérisé en ce que les informations à afficher comprennent en outre des informations de référence correspondant à des repères fixes du cockpit de l'aéronef. Selon d'autres caractéristiques de l'équipement suivant l'invention, prises seules ou en combinaison : - les informations de référence comportent des informations de position d'au moins un objet fixe du cockpit ; - les informations de référence comportent une ou plusieurs des informations choisies dans le groupe comprenant: - une information de position d'au moins un écran d'affichage tête basse du cockpit, - une information de position d'au moins un montant entre des vitres du cockpit, - une information de position d'au moins un bouton du cockpit, - une information de position d'au moins un panneau de contrôle du cockpit. - les informations de référence comprennent en permanence, au moins un repère visible par l'opérateur quelles que soient la position et l'orientation de sa tête dans le domaine opérationnel du cockpit ; - les informations de référence fixe sont données par un équipement à contraste lumineux important du cockpit ; - il est formé par un casque d'opérateur ; - il comporte des moyens de réglage du contraste des informations affichées. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente un schéma synoptique illustrant la structure et le fonctionnement d'une chaîne de traitement d'informations entrant dans la constitution d'un équipement de tête selon l'invention ; et - la figure 2 représente de façon schématique un exemple d'affichage d'informations dans un équipement de tête selon l'invention. On a en effet illustré sur ces figures et en particulier sur la figure 1, un équipement de tête muni d'un système de visualisation dit tête haute pour un opérateur notamment dans un cockpit d'aéronef. Comme cela a été indiqué précédemment, l'aéronef peut par exemple être un avion ou encore un hélicoptère. L'équipement de tête peut quant à lui être constitué par un casque d'opérateur comme par exemple un casque de pilote. Bien entendu d'autres modes de réalisation peuvent encore être envisagés, le système de visualisation étant alors adapté pour afficher des informations devant au moins un oeil de l'opérateur. De façon classique et bien connu dans l'état de la technique, un tel système comporte un certain nombre de moyens parmi lesquels des moyens d'acquisition d'informations à afficher, désignés par la référence générale 1 sur la figure 1, des moyens de détection de la position et de l'orientation de la tête de l'opérateur dans le cockpit de l'aéronef, désignés par la référence générale 2, des moyens de détermination et de calcul des informations à afficher, désignés par la référence générale 3, et des moyens d'affichage de ces informations devant au moins un oeil de l'opérateur, désignés par la référence générale 4. Selon l'invention, les informations à afficher comprennent en outre des informations de référence correspondant à des repères fixes du cockpit de l'aéronef. Ainsi par exemple ces informations de référence comportent des informations de position d'au moins un objet fixe du cockpit. Cette structure permet alors de tester la chaîne de traitement de l'animation des symboles conformes au travers d'une vérification visuelle et continue (c'est à dire tout au long du vol) du pilote de la bonne position d'informations de référence. A cet effet, l'image affichée par le système tête haute comporte des informations de deux natures dont une est formée par des symboles correspondant à des références précises et invariables du cockpit de l'aéronef, disposées dans le champ de vision de l'opérateur et ce dans tout le domaine opérationnel du cockpit. Ainsi en vérifiant inconsciemment que ces symboles sont toujours correctement alignés sur les objets de référence du cockpit, le pilote ou l'opérateur assure que les calculs de la chaîne de traitement de ces symboles sont corrects. La chaîne de traitement étant la même que celle utilisée pour les paramètres critiques conformes, l'intégrité de la conformité de ceux-ci est ainsi également vérifiée en même temps. Par ailleurs, la chaîne de traitement des informations conformes inclut également des opérations de traitement d'images communes avec la chaîne de traitement des autres informations affichées. Ceci permet alors de vérifier au moins en partie l'intégrité de celles-ci en particulier leurs proportions graphiques (position, taille, rotation). Ces différentes vérifications étant effectuées par le pilote ou l'opérateur sur la base d'informations ne nécessitant pas d'équipements supplémentaires, le test satisfait ainsi les fortes contraintes de poids, de consommation électrique, et de coût de développement d'un système de visualisation tête haute d'un opérateur. L'introduction des références permanentes conformes à des points fixes du cockpit dans les images affichées au pilote ou à l'opérateur, permet ainsi une vérification permanente de la chaîne d'animation des symboles conformes et la détection des animations erronées. En outre, l'indépendance de l'opérateur par rapport à la chaîne de calcul permet de répondre aux exigences d'indépendance requises par les standards (ARP4754) pour des informations classiques critiques pouvant mener à des situations classées catastrophiques. Ceci est par exemple visible sur la figure 2 où l'on a représenté un exemple d'affichage de ce type d'informations. Sur cette figure 2, les informations de référence de position comportent par exemple des informations de position d'au moins un montant entre des vitres du cockpit de l'aéronef. Dans l'exemple schématisé sur cette figure 2, ces informations de montant sont illustrées en traits pointillés et sont désignées par la référence générale 5, tandis que les informations critiques et conformes sont désignées par la référence générale 6. Il va de soi bien entendu que d'autres modes de réalisation peuvent être envisagés et que les informations de référence peuvent comporter une ou plusieurs des informations choisies dans un groupe comprenant notamment une information de position d'au moins un écran d'affichage tête basse du cockpit, une information de position d'au moins un montant entre des vitres du cockpit comme déjà décrit, une information de position d'au moins un bouton de commande du cockpit, une information de position d'au moins un panneau de contrôle du cockpit. D'autres éléments peuvent être envisagés. En fait ces informations de repère comprennent de préférence en permanence, au moins un repère visible par l'opérateur quelles que soient la position et l'orientation de sa tête dans le domaine opérationnel du cockpit. De façon préférentielle, les informations de repères fixes sont données par un équipement à contraste lumineux important du cockpit. On notera à cet égard que des moyens de réglage du contraste lumineux des informations présentées et affichées peuvent être prévus pour faciliter encore le travail de l'opérateur. Ainsi, dans l'équipement selon l'invention, on intègre un système permettant d'afficher des informations conformes au paysage qui sont des symboles dont la position sur l'écran de la visière du casque par exemple dépend de la position et de l'orientation de la tête du pilote dans le cockpit car ils sont affichés de façon à rester alignés sur une référence extérieure au casque comme par exemple à partir d'un système de désignation de cible. En fonction de l'utilisation attendue de ce casque, les informations affichées peuvent être considérées critiques pour la sécurité du vol. C'est en particulier le cas dans le cockpit d'un aéronef civil et de transport commercial lorsque les informations affichées (comme par exemple d'horizon, de roulis, d'assiette, de vitesse, de cap, d'altitude et de hauteur) servent au pilotage primaire de l'aéronef. Sans référence extérieure, le pilote utilise en effet uniquement ces informations pour piloter l'avion. Ce système de visualisation nécessite alors un niveau d'intégrité très élevé afin d'éviter que les informations présentées ne soient trompeuses, c'est-à-dire erronées, sans que le pilote ne s'en rende compte et ne puisse les corriger. Un exemple de situation catastrophique peut résulter d'une mauvaise information comme par exemple de la présentation d'un roulis erroné lors de l'atterrissage d'un hélicoptère par mauvaise visibilité. Sans mesure corrective du pilote, la voilure tournante risque de toucher le sol en endommageant sérieusement l'appareil voire en blessant éventuellement gravement les occupants. Il va de soi bien entendu que d'autres symboles conformes peuvent être envisagés. Des exemples de tels symboles sont : - l'horizon, généralement matérialisé par un trait représentant l'altitude zéro de la terre à l'infini, - le roulis, généralement représenté par l'inclinaison du trait d'horizon, - le cap, généralement représenté par une échelle horizontale dont le zéro est aligné sur le nord magnétique ou le nord vrai. Lorsque le pilote bouge la tête, tous ces symboles s'animent afin que l'horizon affiché reste aligné sur l'horizon terrestre, et le cap affiché reste aligné sur le nord terrestre (magnétique ou vrai). Sans référence visuelle extérieure à l'aéronef (par vol de nuit, temps de brouillard, vent de sable), si cette animation des symboles est erronée, le pilote pourra alors : - voir l'horizon plus bas qu'il ne l'est réellement. Le pilote aura tendance à faire piquer son aéronef plus que nécessaire et à se rapprocher dangereusement du sol (risque de colision), - voir l'horizon plus incliné qu'il ne l'est réellement. Le pilote aura alors tendance à donner une inclinaison dangereuse à l'aéronef (risque de décrochage). - voir le nord plus à l'est ou à l'ouest qu'il ne l'est réellement. Le pilote suivra alors un mauvais cap. D'autres types d'affichage erronés existent comme par exemple un tracé déformé, partiel, brouillé, flou ou figé. En fait, l'évènement redouté qui intéresse la présente demande est l'animation erronée des symboles conformes. Ce type d'informations erronées est d'autant plus trompeur que les symboles sont affichés de façon réaliste, sans déformation, si bien que le pilote peut ne pas se rendre compte du caractère erroné de l'affichage. Le présente invention permet alors de résoudre un certain nombre des problèmes de l'état de la technique qui nécessitaient par exemple pour obtenir un niveau d'intégrité maximal de façon classique, de doubler la chaîne de traitement avec une chaîne indépendante ségréguée et dissimilaire, afin de réaliser la même fonction et permettre de comparer son résultat avec celui de la première chaîne. On conçoit bien entendu que ceci se traduit par des problèmes de coûts, de consommation d'énergie, d'encombrement, de poids, de maintenance, etc. La présente demande permet de développer un test de la chaîne de traitement de l'animation des symboles conformes à travers une vérification visuelle et continue par le pilote ou l'opérateur de la bonne position des informations de référence. Pour atteindre un niveau d'intégrité élevé, l'analyse de sûreté de fonctionnement montre traditionnellement que cette chaîne doit être sécurisée par des moyens de tests indépendants automatiques ou manuels. Dans le cas de l'invention, le moyen de test indépendant du système de visualisation est formé par le pilote ou tout autre opérateur directement. Ainsi, dans l'équipement selon l'invention, le principe du test est l'affichage de symboles correspondants à des références précises et invariables du cockpit de l'aéronef, disposés dans le champ de vision du pilote quels que soient les mouvements de la tête de celui-ci. Comme indiqué précédemment, ces références peuvent être par exemple des écrans d'affichage tête basse ou encore des montants séparant des vitres du cockpit ou encore des boutons des panneaux de contrôle du cockpit, etc. L'avantage des écrans tête basse en situation nominale est que ceux-ci sont continuellement éclairés ou affichés et sont donc visibles quelles que soient les conditions d'éclairage du cockpit. Ils sont également régulièrement regardés par le pilote pour les informations non disponibles dans le casque telles que par exemple les informations relatives au fonctionnement du moteur, à la navigation etc. Ces références de position sont affichées sous la forme de symboles adaptés ne rendant pas illisibles les autres informations affichées. L'utilisation de contraste faible ou réglable pour ces symboles peut être recommandée. Ces références se superposent alors exactement à des positions fixes, invariables du cockpit, comme les symboles conformes d'horizon ou de cap illustrés par exemple sur la figure 2. Ces références sont animées en fonction de la posture de la tête du pilote afin qu'elles restent superposées au point fixe du cockpit. L'affichage de ces références suit donc la même chaîne de traitement que les symboles d'horizon, de cap, etc. Contrairement aux symboles conformes ordinaires qui se substituent aux références visuelles extérieures en cas de mauvaise visibilité, ces références disposent constamment de points de comparaison à savoir les points fixes du cockpit, pour le pilote ou l'opérateur. Ainsi, quelles que soient les conditions de vol, tout erroné dans l'animation de ces références est immédiatement détectable par le pilote ou l'opérateur. Ce ne sont pas les variations faibles qui sont recherchées car l'erroné correspondant ne mène pas à un pilotage dangereux mais les grandes variations de l'image affichée qui, si elles ne sont pas détectées par le pilote, peuvent se révéler catastrophiques sans références visuelles extérieures à l'aéronef. Ces grandes déformations sont aisément détectables par un pilote habitué aux points de repère de son cockpit. La détection d'une incohérence entre les références affichées et les points fixes du cockpit signifie alors pour le pilote que les informations affichées sont trompeuses et que l'un des éléments de la chaîne d'animation est défectueux. Le pilote n'est alors pas en mesure de corriger l'affichage mais connaissant les défaillances du système, il peut intervenir : - dans le cas d'un affichage monoculaire, le pilote peut soit éteindre les affichages soit passer sur un système de secours ; - dans le cas d'un affichage binoculaire où la chaîne de traitement est en partie ou entièrement doublée, le pilote peut détecter par comparaison des images de chaque oeil si le problème est dû à une des parties redondantes de la chaîne de traitement ou à des parties communes. Dans le premier cas, il aura la possibilité de n'éteindre que le côté défectueux. Ainsi, le mode de panne classique catastrophique « position erronée non détectée de l'affichage d'un symbole conforme critique » est mitigé et devient un mode de panne de sévérité réduite, dangereux ou majeur suivant l'ARP4754A : « position erronée de l'affichage d'un symbole conforme critique détectée par le pilote ». Par conséquent, les contraintes de développement sur les équipements de calcul des informations conformes deviennent moins fortes. Le choix des points fixes du cockpit à modéliser dans l'image affichée, doit répondre à un certain nombre de contraintes parmi lesquelles : - au moins l'un des points fixes doit toujours être visible dans le champ de vision couvert par l'image projetée devant les yeux du pilote quelles que soient la position et l'orientation de la tête du pilote. Ceci peut nécessiter des points répartis dans tout l'espace du cockpit. - pour que le test soit fonctionnel pour toutes conditions de luminosité du cockpit, les points fixes doivent rester visibles quelles que soient les conditions de vol et rester discernables des références affichées. On conçoit ainsi que dans un équipement selon l'invention, l'introduction de références permanentes conformes à des points fixes du cockpit dans les images affichées au pilote permet une vérification permanente de la chaîne d'animation des symboles conformes et la détection des animations erronées. En outre, l'indépendance du pilote par rapport à la chaîne de calcul permet de répondre aux exigences d'indépendance requises par les standards (ARP4754) pour des 5 informations classées critiques pouvant menées à des situations classées catastrophiques. Par ailleurs, le test étant effectué par le pilote sur la base d'information ne nécessitant pas d'équipement supplémentaire, ce type de test est idéal pour satisfaire aux fortes contraintes de poids, de consommation électrique et de coût de développement des 10 systèmes de visualisation tête haute. REVENDICATIONS1.- Equipement de tête muni d'un système de visualisation tête haute pour un opérateur notamment dans un cockpit d'aéronef, du type comportant : - des moyens (1) d'acquisition d'informations à afficher ; - des moyens (2) de détection de la position et de l'orientation de la tête de l'opérateur dans le cockpit de l'aéronef ; - des moyens (3) de détermination et de calcul des informations à afficher, et - des moyens (4) d'affichage de ces informations devant au moins un oeil de 10 l'opérateur, caractérisé en ce que les informations à afficher comprennent en outre des informations de référence (5) correspondant à des repères fixes du cockpit de l'aéronef. 2.- Equipement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les informations de référence (5) comportent des informations de position d'au moins un objet fixe du cockpit. 15 3.- Equipement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les informations de référence (5) comportent une ou plusieurs des informations choisies dans le groupe comprenant: - une information de position d'au moins un écran d'affichage tête basse du cockpit, 20 - une information de position d'au moins un montant entre des vitres du cockpit, - une information de position d'au moins un bouton de commande du cockpit, - une information de position d'au moins un panneau de contrôle du cockpit. 4.- Equipement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les informations de référence comprennent, en permanence, au 25 moins un repère visible par l'opérateur quelles que soient la position et l'orientation de sa tête dans le domaine opérationnel du cockpit. 5.- Equipement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les informations de référence fixe sont données par un équipement à contraste lumineux important du cockpit. 30 6.- Equipement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est formé par un casque d'opérateur. 7.-Equipement selon l'une quelconque de revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de réglage du contraste des informations affichées.