Brevet FR3005751A1 — publié le 20141121

Viseur Tête Haute à surface tactile Le domaine de l'invention est celui des visualisations dites collimatées, c'est-à-dire fournissant une image à l'infini en superposition sur un paysage extérieur. Le domaine d'application privilégié est celui des viseurs « Tête Haute » embarqués sur aéronef ou « HUD », acronyme de « Head-Up Display ». Un HUD présente généralement une symbologie de pilotage ou de navigation en superposition sur l'extérieur, la superposition étant assurée par un mélangeur ou un combineur optique. La symbologie peut être complété par une image vidéo venant des senseurs de l'appareil. Un des avantages de la présentation d'images collimatées est de supprimer les problèmes d'accommodation visuelle entre la scène extérieure et les informations présentées. Cependant, les moyens de commande et de gestion des informations présentées restent essentiellement déportés. Dans le meilleur des cas, un panneau de contrôle proche du combineur optique permet de gérer la luminosité et quelques modes simples de gestion de la symbologie affichée comme le « declutting » qui correspond à un allègement de la symbologie affichée. Cette solution est nécessairement limitée, dans la mesure où le panneau de contrôle introduit un masque visuel dans le champ visuel de l'utilisateur. La commande de fonctions plus complexes se trouve au niveau de commandes basses, positionnées dans le cockpit. Dans ce cas, le pilote doit détourner son regard de la scène extérieure pour regarder les commandes du HUD. L'accommodation à l'infini est alors perdue sauf si l'utilisateur parvient à utiliser les moyens de commande de son HUD en aveugle sans les regarder avec les risques de confusion et d'erreurs que cela peut entraîner. On peut améliorer l'utilisation de ces moyens de commande par un apprentissage kinesthésique sachant qu'un risque d'erreur non négligeable peut toujours survenir dans une phase critique de pilotage comme l'atterrissage ou la circulation sur les voies de l'aéroport en conditions de visibilité dégradées. Actuellement, on résout le problème en disposant un certain nombre de boutons de commande à fonctions multiples au niveau de l'axe visuel, dans un espace restreint de manière à limiter le masque visuel. Ceci se fait au prix d'une augmentation de la complexité de manipulation des organes de commande : - Multiplication du nombre de boutons rotatoires sur le même axe en pyramide avec des risques de confusion entre les différents étages et des difficultés de manipulations accrues si l'utilisateur porte des gants ; - Multiplication du nombre de modes par bouton grâce à l'usage 10 d'un sélecteur de fonctions, un même bouton définissant les diverses amplitudes du paramètre de la fonction. Là aussi, la complexité multiplie les risques de confusion de la fonction sélectionnée. Il est clair que cette dernière solution est un compromis plus ou moins satisfaisant entre les temps d'accommodation nécessaires pour 15 passer de la vision de loin du HUD à la vision de près des organes de commande et les masques visuels entraînés par la mise en place d'organes de commande proches du combineur du HUD. Le système de visualisation selon l'invention ne présente pas ces 20 inconvénients. Le combineur optique comporte une surface tactile transparente et des moyens permettant de générer des symboles de commande dans la symbologie collimatée. On conserve ainsi les moyens de commande dans le champ visuel du pilote sans introduire de masques supplémentaires et sans perdre l'accommodation. Bien entendu, la surface 25 tactile disposée sur le combineur est proche de l'utilisateur et les symboles de commande sont à l'infini optique. Cependant, comme on le verra, il est possible de résoudre aisément les problèmes de parallaxe engendrés. De plus, le pilote a accès non seulement aux fonctions classiques des panneaux de contrôle de l'art antérieur grâce à une représentation 30 virtuelle de ces boutons, mais aussi à de nouvelles fonctions offertes par l'utilisation d'une surface tactile. On citera notamment la possibilité de réaliser des traitements simples d'image comme le déplacement, la rotation ou l'agrandissement. Plus précisément, l'invention a pour objet un système de 35 visualisation comportant des premiers moyens de calcul et de génération au moins un symbole de commande, un afficheur affichant le dit symbole, une optique de collimation et un combineur optique semi-transparent donnant dudit symbole une image à l'infini dans une direction prédéterminée, caractérisé en ce que le combineur optique comporte des seconds moyens 5 permettant de déterminer la position d'au moins un doigt d'un utilisateur placé au voisinage ou sur le combineur optique, le système comporte des troisièmes moyens permettant d'interpréter la direction donnée par ladite position de façon à déterminer si elle coïncide avec la direction prédéterminée de l'image à l'infini du symbole de commande, des 10 quatrièmes moyens permettant de sélectionner, puis d'exécuter la commande si les directions coïncident. Avantageusement, le système comporte des cinquièmes moyens de traitement agencés de façon que l'exécution effective de la commande entraîne un changement d'apparence du symbole de commande. 15 Avantageusement, le système comporte des quatrièmes moyens de génération d'une image vidéo sur l'afficheur, les seconds moyens étant agencés de façon à déterminer la position et/ou le mouvement d'un ou de plusieurs doigts d'un utilisateur placé au voisinage ou sur le combineur optique, les troisièmes moyens permettant d'interpréter la position ou le 20 mouvement des doigts de façon à calculer si un traitement prédéterminé de l'image vidéo est sélectionné, les quatrièmes moyens permettant d'exécuter ledit traitement prédéterminé. Avantageusement, les seconds moyens sont une surface tactile transparente disposée sur la surface du combineur. 25 Avantageusement, les seconds moyens comportent au moins une source de lumière éclairant une zone située au voisinage du combineur, au moins une caméra filmant ladite zone et des moyens de traitement adaptés à la reconnaissance de la position et/ou de l'orientation des doigts d'un utilisateur. 30 Avantageusement, le système comporte des moyens de détection de la position de la tête et/ou des yeux d'un utilisateur, lesdits moyens de détection étant couplés aux troisièmes moyens. Avantageusement, le système de visualisation est un système de visualisation de cockpit d'aéronef appelé Viseur Tête Haute. 35 3005 7 5 1 4 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 une vue de côté d'un système de 5 visualisation selon l'invention ; La figure 2 représente, en vue de dessus, la parallaxe existant entre le combineur optique à distance finie et l'image à l'infini qu'il réfléchit ; La figure 3 représente une vue de face du combineur optique selon l'invention. 10 A titre d'exemple non limitatif, la figure 1 représente un système de visualisation selon l'invention dans le cas d'une application aéronautique, le système étant alors monté dans le cockpit de l'aéronef. Le système de visualisation 1 comporte : 15 des premiers moyens de calcul et de génération de symboles de commande non représentés sur la figure 1 ; un afficheur 10 affichant les dits symboles. Généralement, cet afficheur est un écran matriciel à cristaux liquides ; une optique de collimation 11 ; 20 un combineur optique 12 semi-transparent donnant desdits symboles une image à l'infini en superposition sur le paysage extérieur. Le combineur est attaché au reste du système par un bras mécanique 13 de déploiement qui fixe sa position. Généralement, l'essentiel du système est disposé dans le 25 plafonnier de l'appareil, le combineur étant disposé dans le champ de vision du pilote. L'utilisateur voit donc les symboles de l'afficheur parfaitement superposés sur le paysage extérieur. Le coeur de l'invention se situe au niveau du combineur 12. Celui- 30 ci comporte, en effet, des seconds moyens 14 permettant de déterminer la position d'au moins un doigt du pilote placé au voisinage ou sur le combineur optique 12. Les informations tactiles transitent, par exemple, électriquement via le bras de déploiement du combineur. Ils sont symbolisés par une surface courbe en traits fins sur la figure 1. Des troisièmes moyens informatiques permettent d'interpréter la direction donnée par ladite position du doigt de façon à déterminer si elle coïncide avec la direction prédéterminée d'un symbole de commande contenu dans l'image à l'infini. Dans cette interprétation, un oeil de 5 l'observateur est privilégié comme on le verra dans la suite de la description. Des quatrièmes moyens permettent de sélectionner, puis d'exécuter la commande si les directions coïncident. Ces moyens ne sont pas représentés sur la figure 1. Enfin, le système comporte des cinquièmes moyens de traitement 10 agencés de façon que l'exécution effective de la commande entraîne un changement d'apparence du symbole de commande. A titre d'exemple, ce changement d'apparence peut être un changement de couleur, un changement de forme, un changement du texte contenu dans le symbole, un clignotement ou un arrêt du clignotement. 15 On comprend immédiatement l'intérêt pratique d'une telle disposition par rapport aux systèmes précédents. Le pilote peut sélectionner des commandes sans quitter du regard l'extérieur et sans que son accommodation visuelle varie. 20 Ces moyens de détection tactile peuvent être réalisés au moyen de différents dispositifs. Le plus simple est l'utilisation d'une surface tactile transparente disposée sur le combineur optique. Les combineurs optiques sont généralement des surfaces courbes, le rayon de courbure faisant plusieurs centaines de millimètres. Ces combineurs courbes permettent de 25 donner de grands champs visuels tout en gardant au système de visualisation un encombrement raisonnable. L'intégration d'une surface tactile courbe au combineur ne pose pas de problèmes techniques particuliers. Le combineur garde sa fonction optique première qui consiste à former une image collimatée à l'infini en superposition. A cette fin, il 30 comporte un traitement semi réfléchissant ou dichroïque sur sa face avant de manière à conserver sa fonction de réflecteur. Il existe différentes techniques pour réaliser une surface tactile. Compte tenu des contraintes environnementales inhérentes aux systèmes aéroportés et notamment des niveaux de vibration et d'éclairement solaire 35 importants, il est préférable d'utiliser des technologies résistives ou capacitives. Les technologies optiques et acoustiques ne sont pas, cependant, nécessairement exclues. L'avantage des surfaces tactiles est qu'il est nécessaire d'être en contact avec le combiner pour valider une fonction. La zone d'interaction est donc définie sans ambiguïté possible. Il est possible également de travailler avec des solutions tactiles sans contact grâce à des technologies optiques ou semi-optiques de marque « Kinect® », commercialisées par la société « Microsoft ». Cependant, il est plus difficile de définir une zone de l'espace où doit avoir lieu l'interaction. Dans le cadre d'un système critique comportant la commande de paramètres de vol, ce point peut présenter une difficulté, compte-tenu des impératifs de sécurité et de sureté de fonctionnement exigés. Enfin, il est possible d'utiliser une technologie optique à base de caméras. Dans ce cas, la source de lumière nécessaire à l'illumination de la main de l'utilisateur dans la zone du combineur émet préférentiellement dans l'infrarouge. Lorsque le système est utilisé avec des jumelles de vision de nuit, le spectre d'émission infrarouge de la source est choisi au-delà de la plage d'amplification desdites jumelles. Cette source peut être : - une source de lumière intégrée au projecteur d'images. Cette solution permet de couvrir naturellement la zone d'utilisation du combineur ; - une source de lumière située sur le pourtour du combineur et injectant la lumière dans l'épaisseur du combineur qui sert alors de guide de lumière par réflexion totale interne frustrée sur ces faces. L'utilisation d'une surface tactile permet d'inclure un retour de force par des technologies haptiques. C'est un avantage intéressant qui permet de mieux prendre en compte la commande et sa validation. Cette fonction peut également être réalisée par un changement des caractéristiques optiques du symbole commandé. On citera, notamment, le 30 passage en inverse vidéo ou le clignotement ou le surlignage du symbole. Il est aussi possible d'interagir avec le combiner par sa face arrière en utilisant sa semi-transparence. Cette interaction privilégie la visibilité de l'affichage puisque ni le doigt ni la main de l'utilisateur ne viennent masquer l'affichage. 35 La taille des images des symboles à manipuler doit être ergonomiquement adaptée à la manipulation. Les images doivent au moins être de la taille apparente d'une extrémité de doigt, ce qui réduit l'impact des erreurs de parallaxe détaillés plus bas. Dans sa version de commande la plus simple, l'utilisateur utilise un seul doigt pour mettre en oeuvre des symboles représentant des boutons de commande 15. La figure 3 représente une utilisation de ce type. Cette figure représente une vue de face du combineur optique 12 selon l'invention et correspond à ce que voit le pilote. Sur cette figure, le doigt F du pilote a activé un des boutons 15 représentant une commande particulière. Bien entendu, les boutons 15 sont virtuels et collimatés à l'infini. Une fonction de type curseur graphique peut être implémentée de manière à introduire une commande analogique. Dans cette application, le doigt reste en appui sur la glace et déplace un curseur virtuel. De la même façon, il est possible de déplacer un réticule de cible ou une image projetée à l'infini. Plusieurs points de contact sur le combineur peuvent être utilisés. A titre de premier exemple, deux points de contact sont nécessaires pour synthétiser la rotation d'un bouton ou d'une image ou une fonction de zoom. A titre de second exemple, trois contacts et plus sont nécessaires pour permettre le passage d'une page d'affichage à une autre de façon à changer de mode ou de typologie de mission. La mise en oeuvre des fonctionnalités des moyens tactiles est très simple. Le doigt ou les doigts de l'utilisateur se positionnent dans l'axe du regard donné par l'oeil directeur de l'utilisateur dans la direction moyenne du symbole à manipuler, à déplacer ou à activer. Lorsque les moyens tactiles sont une surface tactile, le ou les doigts entrent en contact avec la glace de mélange, le dispositif tactile détecte la ou les positions du ou des contacts glace/doigt et les différents moyens de calcul déduisent la direction de la commande concernée et l'exécutent. L'image affichée par le combineur est à l'infini et le combineur est à quelques centaines de millimètres de Il existe donc une différence de position en profondeur entre l'image synthétisée à l'infini et la main. Cette 35 différence de profondeur crée, comme on le voit sur la figure 2, une erreur de parallaxe entre les deux yeux YR et YL qui regardent à la fois le doigt F et le symbole à l'infini 15. Bien entendu, le symbole 15 est vu par les deux yeux dans la même direction. Par contre, la flèche en traits pointillés indique la direction du doigt vu par l'oeil gauche YL. Elle est différente de celle donnée par le symbole 15. Le cerveau humain résout cette difficulté en privilégiant l'oeil directeur YR par rapport à l'autre ceil YL. L'oeil directeur YR fige la direction du regard, même pour des objets à distance finie. L'oeil directeur n'est pas toujours connu de l'utilisateur et doit donc être « appris », au cours d'une phase de caractérisation du système. Au cours de cette phase, on demande simplement à l'utilisateur de pointer un réticule cible unique en faisant varier sa position dans le champ du combineur. Les coordonnées de contact fournies par la fonction tactile servent de données de calibration. Il existe une seconde cause d'erreurs possible de parallaxe. La position de la tête dans la « boite à oeil », zone ou l'image synthétique reste visible, n'est pas connue avec précision et génère une erreur de parallaxe. Cette erreur peut être corrigée au moyen de systèmes simples de détection de position de la tête tels que des caméras de reconnaissance, des systèmes inertiels, des systèmes de détection de position magnétique ou optique. Il est à noter que ces systèmes n'ont pas besoin d'une grande précision. Il s'agit du paramètre qui va limiter la précision du système : les objets doivent être suffisamment grands et espacés pour ne pas être confondus ou indéterminés. En fait, la parallaxe inhérente au système n'est en général pas un 25 inconvénient car la fonction réellement recherchée est : - une désignation digitale par zone de l'image. Il n'y a pas besoin de précision particulière. Au besoin, il est possible de visualiser une zone d'incertitude autour d'une zone principale d'interaction. Cette zone d'incertitude est la zone dans laquelle il y a un risque 30 d'indétermination dû au mouvement du pilote lorsque, par exemple, il cherche à activer un bouton particulier ; - Un traitement élémentaire de l'image comme un déplacement, une rotation ou un zoom. Il est alors fait appel à une contre réaction cognitive qui ne traite que des variations relatives : déplacement d'un 35 doigt pour le déplacement de l'image, variation d'écartement de deux 3005 751 doigts le long de leur axe pour le zoom, rotation de deux doigts pour la rotation. L'incertitude constante liée à la position initiale importe peu. Ainsi, il s'agit d'interagir de manière relative. C'est le pilote qui stoppe le mouvement du doigt lorsque, visuellement, l'effet voulu sur 5 l'image est atteint ; - Une simulation de clavier. Lorsqu'un nombre important de boutons est requis pour simuler un clavier sans devoir diminuer leur taille apparente, il est possible de déplacer les boutons dans leur ensemble jusqu'à faire apparaître le bouton recherché. 10 En règle générale, le combineur se situe à environ 250 millimètres de la tête du pilote et reste donc largement à portée de son bras. D'autre part, la position des bras est essentiellement fonction de la position des différentes commandes et postes de commande de la planche de bord et des 15 accoudoirs, la main et le bras n'obstruent pas le champ visuel de manière non naturelle. En résumé, le système de visualisation selon l'invention possède les fonctionnalités d'interface homme-machine suivantes: 20 - Manipulation et sélection de pages ou d'onglets informatiques correspondants à des modes de pilotage ou à des symbologies prédéterminées correspondant à la situation tactique ou de navigabilité vécue ; - Sélection et commande de boutons poussoirs et de bascules liés à l'affichage permettant d'accéder aux fonctionnalités suivantes : « déclutter » complet/partiel, passage de l'éclairage en mode nuit, appel de symboles ; - Sélection et commande de curseurs linéaires ou « sliders » et de barres de défilement permettant, par exemple, de faire varier la luminosité de l'affichage ; - Sélection d'une zone de liste ; - Incrément et décrément par « toupie » de valeurs représentatives de données ; - Désignation et sélection de cibles, de caps ou ralliement sur un capteur extérieur ; - Fonction « Double clic » voisine de celle des « souris » informatiques ; - Fonction d'agrandissement ou de zoom sur une image obtenue par l'écartement ou le rapprochement de deux doigts ; - Fonction de rotation d'une image ou d'un symbole par la rotation de deux doigts ; - Fonction de défilement de page obtenue par le passage de trois contacts au moins. D'une façon générale, les moyens tactiles couplés à la génération de symboles peuvent très facilement être adaptés pour prendre en compte soit de nouvelles fonctionnalités, soit modifier des anciennes fonctions en fonction des besoins de l'avionneur, du type d'appareil ou des différentes missions de l'appareil. REVENDICATIONS1. Système de visualisation (1) comportant des premiers moyens de calcul et de génération d'au moins un symbole de commande, un afficheur affichant ledit symbole, une optique de collimation et un combineur optique (12) semi-transparent donnant dudit symbole (15) une image à l'infini 5 dans une direction prédéterminée, caractérisé en ce que le combineur optique (12) comporte des seconds moyens (14) permettant de déterminer la position d'au moins un doigt d'un utilisateur placé au voisinage ou sur le combineur optique, le système comporte des troisièmes moyens permettant d'interpréter la direction donnée par ladite position de façon à déterminer si 10 elle coïncide avec la direction prédéterminée de l'image à l'infini du symbole de commande, des quatrièmes moyens permettant de sélectionner, puis d'exécuter la commande si les directions coïncident. 2. Système de visualisation selon la revendication 1, caractérisé 15 en ce que le système comporte des cinquièmes moyens de traitement agencés de façon que l'exécution effective de la commande entraîne un changement d'apparence du symbole de commande. 3. Système de visualisation selon l'une des revendications 20 précédentes, caractérisé en ce que le système comporte des quatrièmes moyens de génération d'une image vidéo sur l'afficheur, les seconds moyens étant agencés de façon à déterminer la position et/ou le mouvement d'un ou de plusieurs doigts d'un utilisateur placé au voisinage ou sur le combineur optique, les troisièmes moyens permettant d'interpréter la position ou le 25 mouvement des doigts de façon à calculer si un traitement prédéterminé de l'image vidéo est sélectionné, les quatrièmes moyens permettant d'exécuter ledit traitement prédéterminé. 4. Système de visualisation selon l'une des revendications 30 précédentes, caractérisé en ce que les seconds moyens sont une surface tactile transparente disposée sur la surface du combineur. 5. Système de visualisation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les seconds moyens comportent au moins une source de lumière éclairant une zone située au voisinage du combineur, au moins une caméra filmant ladite zone et des moyens de traitement adaptés à la reconnaissance de la position et/ou de l'orientation des doigts d'un utilisateur. 6. Système de visualisation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système comporte des moyens de 10 détection de la position de la tête et/ou des yeux d'un utilisateur, lesdits moyens de détection étant couplés aux troisièmes moyens. 7. Système de visualisation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système de visualisation est un 15 système de visualisation de cockpit d'aéronef appelé Viseur Tête Haute.