Brevet FR3008499A1 — publié le 20150116

La présente invention concerne un procédé et un dispositif d'affichage en temps réel d'une consigne d'assiette sur un aéronef, en particulier un avion de transport, lors d'un pilotage en mode manuel. L'invention concerne le domaine des systèmes de commande de vol et fournit une adaptation en temps réel pour le calcul de valeurs du directeur de vol, de type FD (« Flight Director » en anglais). Sur les aéronefs modernes, le directeur de vol affiche généralement des ordres de guidage sur des écrans primaires de vol, de type PFD (« Primary Flight Display » en anglais), et de façon similaire sur des afficheurs tête-haute, de type HUD (« Head-up Display » en anglais). Ces ordres de guidage sont calculés par des lois de contrôle de guidage basées sur des cibles de guidage sélectées dans un système de gestion de vol de type FMS (« Flight Management System » en anglais) ou bien directement sur une unité de contrôle de vol de type FCU (« Flight Control Unit » en anglais). Si aucun système de pilotage automatique de l'aéronef n'est engagé, l'équipage peut piloter manuellement l'aéronef en suivant les ordres du directeur de vol, et en réalisant manuellement le pilotage que réaliserait le système de pilotage automatique s'il était engagé. Sur le directeur de vol, une barre de consigne d'assiette (« pitch bar » en anglais) et une barre de consigne de roulis (« roll bar » en anglais) indiquent, respectivement, les ordres de guidage de tangage et de roulis. L'aéronef suit ces ordres de guidage lorsqu'il est piloté de telle sorte que ces barres de consignes du directeur de vol sont centrées sur l'attitude de l'aéronef (représentée généralement au centre de l'affichage PFD/HUD lorsqu'un mode vertical est engagé en vol). Généralement, la loi de tangage relative à l'écran PFD est réglée pour être robuste aux variations de comportement du pilote. En conséquence, la réponse de l'aéronef aux entrées manuelles du pilote n'est pas idéale, car chaque pilote a sa propre dynamique d'actionnement (due à des dynamiques biologiques personnelles) lorsqu'il suit une barre de consigne d'assiette affichée sur le directeur de vol. En d'autres termes, pour un même ordre de guidage en tangage (qui est fourni via la barre de consigne d'assiette), l'actionnement du manche de commande de tangage, par exemple un mini-manche, peut présenter une dynamique différente en fonction du pilote qui l'actionne, ou de la manière dont un même pilote réalise l'actionnement. La réponse de l'aéronef peut ainsi être différente à ce qu'elle serait si le système de pilotage automatique était engagé et appliquait automatiquement et exactement l'ordre de tangage. La présente invention a pour objet de remédier à cet inconvénient. Elle concerne un procédé d'affichage en temps réel d'une consigne d'assiette sur un aéronef lors d'un pilotage en mode manuel, qui permet de pouvoir obtenir une réponse homogène de l'aéronef (pour un même ordre de tangage) quel que soit le comportement du pilote qui actionne le manche de commande de tangage. A cet effet, selon l'invention, ledit procédé du type comprenant : - une première étape de calcul d'un ordre de guidage en tangage dit ordre de tangage, à partir d'une valeur dépendant d'un facteur de charge estimé de l'aéronef et d'un ordre de facteur de charge, à laquelle valeur est appliqué un gain; et - une étape d'affichage, sur un écran du poste de pilotage de l'aéronef, d'une barre de consigne d'assiette illustrant ledit ordre de tangage, est remarquable en ce qu'il comporte de plus : - une étape d'acquisition, en temps réel, d'un angle de déviation de la barre de consigne d'assiette et d'un angle de déflexion correspondant d'un manche de commande de tangage actionné manuellement par un pilote, illustrant la dynamique d'actionnement du pilote ; - une seconde étape de calcul d'un terme correctif à l'aide desdits angles de déviation et de déflexion ; et - une troisième étape de calcul d'un gain direct corrigé à partir dudit terme correctif, ledit gain direct corrigé étant utilisé à ladite première étape de calcul pour calculer ledit ordre de tangage utilisé pour l'affichage de ladite barre de consigne d'assiette. Ainsi, grâce à l'invention, on adapte le gain de la loi de tangage utilisée (à savoir une loi usuelle de directeur de vol), à travers ledit gain direct corrigé, au comportement manuel effectif du pilote (à savoir aux dynamiques biologiques personnelles du pilote) lors de l'actionnement du manche de commande. Ceci permet d'obtenir une réponse homogène (et conforme) de l'aéronef (pour un même ordre de tangage), malgré la large variété de comportements possibles du pilote. En outre, ledit procédé peut comprendre au moins certaines des caractéristiques suivantes, prises individuellement ou en combinaison : - ladite seconde étape de calcul comprend : - une première sous-étape pour estimer deux gains auxiliaires, illustrant la dynamique d'actionnement du pilote, lesdits gains auxiliaires étant estimés à l'aide dudit angle de déviation de la barre de consigne d'assiette et dudit angle de déflexion correspondant du manche de commande de tangage actionné manuellement par le pilote ; et - une seconde sous-étape pour calculer ledit terme correctif à l'aide desdits gains auxiliaires ; - lesdits gains auxiliaires sont tels qu'en les appliquant à un angle de déviation de la barre de consigne d'assiette, conformément à un modèle mathématique de comportement du pilote, on obtient l'angle de déflexion correspondant du 25 manche de commande de tangage ; - ladite première sous-étape comprend la mise en oeuvre d'une méthode des moindres carrés ; - ladite seconde sous-étape comprend des opérations consistant : - à déterminer un premier terme en appliquant des traitements à un 30 premier desdits gains auxiliaires ; - à déterminer un second terme en appliquant des traitements au second desdits gains auxiliaires ; - à calculer la somme desdits premier et second termes ; et - à appliquer un gain réglable à cette somme et à limiter le cas échéant la valeur correspondante, de manière à obtenir ledit terme correctif ; et - ledit gain corrigé KDc est calculé, à la troisième étape de calcul, à l'aide de l'expression suivante : KDc = CD. KD dans laquelle : - CD est ledit terme correctif ; et - KD est un gain direct. La présente invention concerne également un dispositif d'affichage en temps réel d'une consigne d'assiette sur un aéronef, lors d'un pilotage de l'aéronef en mode manuel. Selon l'invention, ledit dispositif du type comprenant : - une première unité de calcul configurée pour calculer un ordre de guidage en tangage dit ordre de tangage, à partir d'une valeur dépendant d'un facteur de charge estimé de l'aéronef et d'un ordre de facteur de charge, à laquelle valeur est appliqué un gain; et - une unité d'affichage configurée pour afficher, sur un écran du poste de pilotage de l'aéronef, une barre de consigne d'assiette illustrant ledit ordre de tangage, est remarquable en ce qu'il comporte de plus : - une unité d'acquisition configurée pour acquérir, en temps réel, un angle de déviation de la barre de consigne d'assiette et un angle de déflexion correspondant d'un manche de commande de tangage actionné manuellement par un pilote, illustrant la dynamique d'actionnement du pilote ; - une seconde unité de calcul configurée pour calculer un terme correctif à l'aide desdits angles de déviation et de déflexion ; et - une troisième unité de calcul configurée pour calculer un gain direct corrigé à partir dudit terme correctif. Ce gain direct corrigé est utilisé par ladite première unité de calcul pour calculer ledit ordre de tangage. La présente invention concerne également un directeur de vol d'un aéronef, qui comprend un dispositif d'affichage tel que celui précité. La présente invention concerne en outre un aéronef, en particulier un avion de transport, qui est pourvu d'un tel dispositif d'affichage et/ou d'un tel directeur de vol. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. La figure 1 est le schéma synoptique d'un dispositif qui illustre un mode de réalisation de l'invention. La figure 2 est le schéma synoptique d'une unité de calcul d'un dispositif d'affichage relatif à l'invention. La figure 3 montre schématiquement un modèle illustrant le comportement d'un pilote. Les figures 4 et 5 sont les schémas synoptiques de moyens de calcul de l'unité de calcul de la figure 2. Le dispositif 1 représenté schématiquement sur la figure 1 et permettant d'illustrer l'invention, est destiné à afficher automatiquement, en temps réel, une consigne d'assiette sur un aéronef (non représenté), en particulier un avion de transport, lors d'un pilotage manuel de l'aéronef. Dans un mode de réalisation préféré, ce dispositif d'affichage 1 fait partie d'un directeur de vol 2 de l'aéronef. Ledit dispositif d'affichage 1 qui est embarqué sur l'aéronef comprend notamment, comme représenté sur la figure 1 : - une unité de traitement d'informations 3 qui comprend une unité de calcul 4 pour calculer un ordre de guidage en tangage dit ordre de tangage, à partir 30 d'une valeur VO dépendant d'un facteur de charge estimé Nzest de l'aéronef et d'un ordre de facteur de charge Nzc, à laquelle valeur VO est appliqué un gain ; et - une unité d'affichage 5 qui est reliée par l'intermédiaire d'une liaison 6 à l'unité de traitement d'informations 3 et qui est configurée pour afficher sur un écran 7 du poste de pilotage de l'aéronef, une barre de consigne d'assiette 8 (« pitch bar » en anglais) illustrant ledit ordre de tangage. Dans un mode de réalisation préféré, l'unité d'affichage 5 comporte un écran primaire de vol 7, de type PFD (« Primary Flight Display » en anglais). Elle peut également comporter un afficheur tête-haute, de type HUD (« Head- Up Display » en anglais), pour afficher l'ordre de guidage en tangage (via la barre de consigne d'assiette 8), ainsi que d'autres ordres de guidage usuels. Ces ordres de guidage sont calculés par des lois de contrôle de guidage basées sur des cibles de guidage sélectées dans un système de gestion de vol, de type FMS (« Flight Management System » en anglais), ou une unité de contrôle de vol, de type FCU (« Flight Control Unit » en anglais). Si aucun système de pilotage automatique n'est engagé, l'équipage peut piloter manuellement l'aéronef en suivant les ordres affichés notamment sur l'écran 7. Sur l'écran 7 (du directeur de vol 2), la barre de consigne d'assiette 8 indique donc l'ordre de guidage en tangage et l'aéronef suit cet ordre de guidage lorsqu'il est piloté de sorte que la barre de consigne 8 est centrée sur l'attitude de l'aéronef (représentée généralement au centre par un indicateur usuel 9, comme illustré sur la figure 1). Dans un mode de réalisation préféré, l'unité d'affichage 5 est configurée pour que la barre de consigne d'assiette 8 soit affichée sur l'écran 7 lorsqu'un mode vertical est engagé en vol. Sur cet écran usuel 7 est également présentée, notamment, une échelle d'assiette 10. Selon l'invention, ledit dispositif d'affichage 1 comporte de plus, de préférence dans l'unité de traitement d'informations 3, comme représenté sur la figure 1 : - une unité d'acquisition 12 qui est configurée pour acquérir, en temps réel : - un angle de déviation A® de la barre de consigne d'assiette 8; et - un angle de déflexion .5q d'un manche de commande de tangage 11 usuel (notamment un mini-manche), qui a été actionné manuellement par un pilote en réponse à l'ordre de commande de tangage correspondant audit angle de déviation A® (tel qu'il a été présenté au pilote sur l'écran 7 via la barre de consigne d'assiette 8) ; et ; - un module de calcul 13 destiné à calculer un gain direct corrigé KDc. Ce module de calcul 13 comprend, comme représenté sur la figure 2 : - une unité de calcul 14 qui est configurée pour calculer un terme correctif CD, à l'aide dudit angle de déviation A® et dudit angle de déflexion .5q qui illustrent la dynamique d'actionnement du pilote ; et - une unité de calcul 15 qui est configurée pour calculer le gain direct corrigé KDc à partir dudit terme correctif CD reçu par une liaison 16 de l'unité de calcul 14 et d'un gain direct KD. Ledit gain direct corrigé KDc est utilisé par ladite unité de calcul 4 à la place dudit gain direct KD (déterminé de façon usuelle), pour calculer ledit ordre de tangage qui est transmis par la liaison 6 à l'unité d'affichage 5. Ladite unité de calcul 15 calcule ledit gain corrigé KDc à l'aide de l'expression suivante : KDc = CD. KD Ainsi, le dispositif d'affichage 1 adapte le gain direct de la loi de tangage utilisée (à savoir une loi usuelle de directeur de vol), à travers ledit gain direct corrigé KDc, au comportement manuel effectif du pilote (à savoir aux dynamiques biologiques personnelles du pilote). Ceci permet d'obtenir 25 une réponse homogène (et conforme) de l'aéronef (pour un même ordre de tangage), malgré la variété importante de comportements possibles du pilote. Le dispositif 1 comporte également un ensemble 17 de sources d'informations usuelles, qui est relié par l'intermédiaire d'une liaison 18 à l'unité de traitement 3 et qui fournit les valeurs de paramètres (A®, .5q , Nzest, 30 Nzc), dont l'unité d'acquisition 12 fait l'acquisition. En outre, ladite unité de calcul 14 comprend : - une unité d'estimation 19 pour estimer deux gains auxiliaires Kg et Kr, précisés ci-dessous, qui illustrent la dynamique d'actionnement du pilote, à l'aide dudit angle de déviation A® de la barre de consigne d'assiette 8 et 5 dudit angle de déflexion .5q correspondant du manche de commande de tangage 11 actionné manuellement par le pilote, reçus de l'unité d'acquisition 12, respectivement, via des liaisons 20A et 20B; et - un élément de calcul 22 pour calculer ledit terme correctif CD, à l'aide desdits gains auxiliaires Kg et Kr reçus, respectivement, de l'unité d'estimation 10 19 via des liaisons 23 et 24. Par ailleurs, comme représenté sur la figure 2, l'unité de calcul 4 comprend notamment : - un élément de calcul 25 qui multiplie le facteur de charge estimé Nzest (reçu par une liaison 21A de l'unité d'acquisition 12) par un gain usuel Knz 15 dépendant de la vitesse air de type CAS; - un élément de calcul 26 qui calcule la différence (appelée valeur VO ci-dessus) entre le produit reçu par une liaison 27 de l'élément de calcul 25 et l'ordre de facteur de charge Nzc reçu par une liaison 21B de l'unité d'acquisition 12 ; et 20 - un élément de calcul 28 qui multiplie le résultat (valeur VO) reçu de l'élément de calcul 26 par une liaison 29, par le gain direct corrigé KDc reçu de l'élément de calcul 15 par une liaison 37. Ainsi, en définitive, l'ordre de tangage fourni à la sortie de l'élément de calcul 28 est obtenu par la multiplication de la valeur VO (reçu de l'élément de 25 calcul 26) par le gain direct corrigé KDc (avec KDc = CD.KD). Les gains de la loi de tangage usuelle sont donc adaptés au pilote, comme suit : - Knz reste inchangé ; - KD est mis à jour à l'aide de la correction (et devient KDc). L'adaptation mise en oeuvre par le dispositif 1 des gains de la loi de tangage cherche à assurer que chaque pilote reproduit exactement les ordres définis par le système. Le comportement du pilote est déterminé par les deux gains auxiliaires Kg et Kr, à savoir un gain direct Kg illustrant globalement la souplesse et l'amplitude de l'actionnement du pilote, et un gain dérivé Kr illustrant globalement la réactivité du pilote. Ces gains sont différents pour chaque pilote. Ils sont estimés par l'unité d'estimation 19 de la manière précisée ci-dessous. Lesdits gains auxiliaires Kg et Kr sont tels qu'en les appliquant à un angle de déviation A® de la barre de consigne d'assiette 8, conformément à un modèle mathématique 30 de comportement du pilote (représenté sur la figure 3), on obtient l'angle de déflexion .5q du manche de commande 11 tel qu'il est effectivement généré par le pilote. Ledit modèle 30 comprend, comme représenté sur la figure 3: - un élément 31 pour multiplier la valeur d'entrée (à savoir l'angle de déviation A®) par le gain direct Kg; - un élément 32 pour appliquer à cette valeur d'entrée un filtre F1(s) du type (0.2s2 + s)/(0.01s2 + 0.2s +1), s étant la variable complexe de Laplace ; - un élément 33 pour multiplier la sortie de l'élément 32 par le gain dérivé Kr; - un élément 34 pour additionner les sorties des éléments 31 et 33; - un élément 35 pour appliquer à cette somme un filtre F2(s) du type 1/(0.0156s2+0.15s+1) ; et - un élément 36 pour limiter le cas échéant le résultat reçu de l'élément 35 de manière à obtenir l'angle de déflexion8q Pour estimer en temps réel lesdits gains auxiliaires Kg et Kr, ladite unité d'estimation 19 comprend, comme représenté sur la figure 4: - un élément de traitement 38 pour appliquer le filtre F1(s) précité à la valeur (à savoir à l'angle de déviation A®) reçue par la liaison 20A; - un élément de traitement 39 pour appliquer le filtre F2(s) précité au résultat disponible à la sortie de l'élément de traitement 38; et - un élément de traitement 40 pour utiliser les résultats des éléments de traitement 38 et 39, ainsi que la valeur (à savoir l'angle de déflexion .5q ) reçue par la liaison 20B. L'élément de traitement 40 met en oeuvre une méthode des moindres carrés, sur ces informations, ce qui lui permet d'obtenir les gains Kg et Kr qui illustrent le comportement du pilote en temps réel. Par ailleurs, l'élément de calcul 22 comprend, comme représenté sur la figure 5: - un élément de traitement 42 qui calcule la valeur absolue de la valeur (gain Kg estimé par l'unité 19) reçue par la liaison 23; - un élément de traitement 43 qui limite, le cas échéant, le résultat fourni par l'élément de traitement 42; - un élément de traitement 44 qui applique au résultat fourni par l'élément de traitement 43 un filtre F3(s) du type 1/(Tl.s +1), s étant la variable complexe de Laplace et Ti une constante de temps ; - un élément de traitement 45 qui applique le même filtre F3(s) à la valeur (gain Kr estimé par l'unité 19) reçue par la liaison 24 ; - un élément de traitement 46 qui applique au résultat fourni par l'élément de traitement 45 un filtre F4(s) du type (T2.$)I(T2.s+1), T2 étant une constante de temps ; - un élément de traitement 47 qui divise par deux le résultat fourni par l'élément de traitement 46; - un élément de traitement 48 qui fait la somme des résultats fourni par les éléments de traitement 44 et 47; - un élément de traitement 50 qui divise un gain de réglage dépendant de la vitesse air (ou vitesse corrigée) de type CAS, reçue d'un élément de traitement 49, par le résultat fourni par l'élément de traitement 48; et - un élément de traitement 51 qui limite, le cas échéant, le résultat fourni par l'élément de traitement 50 et qui fournit à sa sortie ledit terme correctif CD. Le dispositif 1 réalise donc une adaptation en temps réel d'un gain direct KD de la loi de tangage pour optimiser le réglage par rapport au pilote qui pilote effectivement l'aéronef. Il met en oeuvre à cet effet : - une estimation en temps réel des gains de pilote (gains auxiliaires Kg et Kr), basée sur un modèle mathématique du pilote ; et - une correction du gain direct de la loi de tangage courante, basée sur les gains de pilote estimés, de sorte que les gains de la loi de tangage sont parfaitement adaptés au pilotage manuel et que la réponse de l'aéronef aux actionnements du manche de commande 11 par le pilote reste très proche de ce que réaliserait un système de pilotage automatique s'il était engagé malgré la grande variété de comportements de pilote possibles. REVENDICATIONS1. Procédé d'affichage en temps réel d'une consigne d'assiette sur un aéronef, lors d'un pilotage de l'aéronef en mode manuel, ledit procédé comprenant : - une première étape de calcul d'un ordre de guidage en tangage dit ordre de tangage, à partir d'une valeur dépendant d'un facteur de charge estimé de l'aéronef et d'un ordre de facteur de charge, à laquelle valeur est appliqué un gain; et - une étape d'affichage, sur un écran (7) du poste de pilotage de l'aéronef, d'une barre de consigne d'assiette (8) illustrant ledit ordre de tangage, caractérisé en ce qu'il comporte de plus : - une étape d'acquisition, en temps réel, d'un angle de déviation de la barre de consigne d'assiette (8) et d'un angle de déflexion correspondant d'un manche de commande de tangage (11) actionné manuellement par un pilote, illustrant la dynamique d'actionnement du pilote ; - une seconde étape de calcul d'un terme correctif à l'aide desdits angles de déviation et de déflexion ; et - une troisième étape de calcul d'un gain direct corrigé à partir dudit terme correctif, ledit gain direct corrigé étant utilisé à ladite première étape de calcul pour calculer ledit ordre de tangage utilisé pour l'affichage de ladite barre de consigne d'assiette (8). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite seconde étape de calcul comprend : - une première sous-étape pour estimer deux gains auxiliaires, illustrant la dynamique d'actionnement du pilote, lesdits gains auxiliaires étant estimés à l'aide dudit angle de déviation de la barre de consigne d'assiette (8) et dudit angle de déflexion correspondant du manche de commande de tangage actionné manuellement par le pilote ; et- une seconde sous-étape pour calculer ledit terme correctif à l'aide desdits gains auxiliaires. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits gains auxiliaires sont tels qu'en les appliquant à un angle de déviation de la barre de consigne d'assiette (8), conformément à un modèle mathématique de comportement du pilote, on obtient l'angle de déflexion correspondant du manche de commande de tangage (11). 4. Procédé selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que ladite première sous-étape comprend la mise en oeuvre 10 d'une méthode des moindres carrés. 5. Procédé selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que ladite seconde sous-étape comprend des opérations consistant : - à déterminer un premier terme en appliquant des traitements à un premier 15 desdits gains auxiliaires ; - à déterminer un second terme en appliquant des traitements au second desdits gains auxiliaires ; - à calculer la somme desdits premier et second termes ; et - à appliquer un gain réglable à cette somme et à limiter le cas échéant la 20 valeur correspondante, de manière à finalement obtenir ledit terme correctif. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit gain corrigé KDc est calculé, à la troisième étape de calcul, à l'aide de l'expression suivante : KDc = CD. KD 25 dans laquelle: - CD est ledit terme correctif ; et - KD est un gain direct. 7. Dispositif d'affichage en temps réel d'une consigne d'assiette sur un aéronef, lors d'un pilotage de l'aéronef en mode manuel, ledit dispositif (1) 30 comprenant :- une première unité de calcul (4) configurée pour calculer un ordre de guidage en tangage dit ordre de tangage, à partir d'une valeur dépendant d'un facteur de charge estimé de l'aéronef et d'un ordre de facteur de charge, à laquelle valeur est appliqué un gain; et - une unité d'affichage (5) configurée pour afficher, sur un écran (7) du poste de pilotage de l'aéronef, une barre de consigne d'assiette (8) illustrant ledit ordre de tangage, caractérisé en ce qu'il comporte de plus : - une unité d'acquisition (12) configurée pour acquérir, en temps réel, un angle de déviation de la barre de consigne d'assiette (8) et un angle de déflexion correspondant d'un manche de commande de tangage (11) actionné manuellement par un pilote, illustrant la dynamique d'actionnement du pilote ; - une seconde unité de calcul (14) configurée pour calculer un terme correctif à l'aide desdits angles de déviation et de déflexion ; et - une troisième unité de calcul (15) configurée pour calculer un gain direct corrigé à partir dudit terme correctif, ledit gain direct corrigé étant utilisé par ladite première unité de calcul (4) pour calculer ledit ordre de tangage utilisé pour l'affichage de la barre de consigne d'assiette (8). 8. Directeur de vol d'un aéronef, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (1) tel que celui spécifié sous la revendication 7. 9. Aéronef, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (1) tel que celui spécifié sous la revendication 7. 10. Aéronef, caractérisé en ce qu'il comporte un directeur de vol (2) tel que celui spécifié sous la revendication 8.