Brevet FR3020457A1 — publié le 20151030

Procédé d'affichage des attitudes d'un aéronef en vol et système de visualisation associé Le domaine de l'invention est celui de la présentation des informations d'attitude d'un aéronef dans un système de visualisation embarqué. L'attitude d'un aéronef en vol est définie par trois angles de rotation autour de trois axes perpendiculaires entre eux. Classiquement, l'axe situé dans l'axe de l'aéronef est appelé axe de roulis, l'axe situé dans l'axe de la voilure est l'axe de tangage, enfin, le troisième axe vertical est l'axe de lacet. Ces trois axes de roulis, de tangage et de lacet sont également connus sous leurs terminologies anglo-saxonnes appelées respectivement « roll », « pitch » et « yaw ». Historiquement, les informations d'attitude étaient représentées dans un instrument appelé « horizon artificiel » par les rotations d'une boule mécanique actionnée par un gyroscope mécanique. Ces instruments électro- mécaniques complexes disparaissent des planches de bord et sont remplacés par des affichages graphiques sur les dispositifs de visualisation de la planche de bord. Les informations affichées viennent de la centrale inertielle de l'aéronef. Dans ce type de dispositif de visualisation, il existe différentes représentations graphiques de l'attitude. La façon la plus simple consiste à afficher les valeurs numériques des angles de roulis, de tangage et de lacet. On comprend qu'il est difficile de se faire une représentation exacte de l'attitude de l'aéronef à partir de valeurs chiffrées. Généralement, la représentation des informations d'attitude est faite au moyen d'une représentation plane. Une ligne d'horizon sépare deux plages colorées représentant le ciel et la terre. L'inclinaison et la position de cette ligne d'horizon sont représentatives de l'attitude de l'aéronef. L'inconvénient de cette représentation surfacique est que, par nature, elle ne peut représenter qu'imparfaitement une rotation tridimensionnelle dans l'espace.35 L'invention concerne un système de visualisation comprenant des moyens de représentation tridimensionnelle des angles de roulis, de tangage et de lacet par une sphère en rotation. Une des difficultés de cette représentation est qu'elle doit être effectuée en temps réel et par conséquent monopoliser un minimum de temps de calcul. Le procédé de représentation selon l'invention a l'avantage de ne calculer que les parties de la sphère effectivement affichées. Plus précisément, l'invention a pour objet un système de visualisation aéronautique comprenant des moyens de mesure de l'attitude de l'aéronef, des moyens de calcul graphique et un dispositif de visualisation, caractérisé en ce que les moyens de calcul sont agencés de façon que les trois informations de roulis, de lacet et de tangage définissant l'attitude de l'aéronef sont représentés sur le dispositif de visualisation par une projection centrale d'une sphère orientée sur un plan de projection virtuel situé dans le plan du dispositif de visualisation, la sphère étant représentée par une pluralité de méridiens et de parallèles, les parties cachées de la sphère n'étant pas représentées, l'orientation de la sphère étant celle de l'aéronef. Avantageusement, la sphère est représentée en mode filaire, seuls sont représentés le pourtour circulaire de la sphère, les méridiens et 20 les parallèles. Avantageusement, la sphère étant constituée de deux hémisphères « nord » et « sud » séparés par un équateur central, les hémisphères sont de couleur ou de clarté différente. Avantageusement, l'hémisphère nord est de couleur bleue. 25 L'invention concerne également un procédé de représentation graphique des trois informations de roulis, de lacet et de tangage définissant l'attitude d'un aéronef par une projection centrale d'une sphère orientée sur un plan de projection virtuel situé dans le plan d'un dispositif de visualisation, la sphère étant représentée par une pluralité de méridiens et de parallèles, 30 les parties cachées de la sphère n'étant pas représentées, caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes suivantes : - A partir des trois informations de roulis, de tangage et de lacet correspondant respectivement aux angles d'Euler y, 0 et cp, calcul d'une première matrice de rotation associée MROT, les éléments de la première 35 colonne étant notés (X1, X2, X3), les éléments de la seconde colonne étant notés (Y1, Y2, Y3) et les éléments de la troisième colonne étant notés (Z1, Z2, Z3) avec = COS W COS 0 ; X2 = sin cos° ; X3 = -sin° - En fonction de latitudes déterminées I, détermination des 5 limites de tracé de chaque parallèle correspondant, lesdites limites dépendant, dans le cas général, de deux paramètres p. et g valant respectivement : \f(X12 + X: ) - Détermination des points de tracé desdits parallèles ; 10 - En fonction de longitudes déterminées I, calcul d'un nouvel angle d'Euler y' et de la nouvelle matrice de rotation associée M'Ror, les éléments de la première colonne étant notés (X'1, X'2, X'3), les éléments de la seconde colonne étant notés (Y'1, Y'2, Y'3) et les éléments de la troisième colonne étant notés (Z'1, Z'2, Z'3), les deux angles d'Euler 0 et y) étant 15 inchangés, avec : = 11/ + 1 ; 1= COSIIII COS ; X'2 = Sin VCOS ; X13 = X3 - Détermination des limites de tracé de chaque méridien correspondant, lesdites limites dépendant, dans le cas général, d'un paramètre y valant respectivement : 20 y = a tan 2(-- X'3, X11) - Détermination des points de tracé desdits méridiens. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non 25 limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles La figure 1 représente une première représentation graphique d'une sphère d'attitude selon l'invention ; La figure 2 représente une seconde représentation graphique d'une sphère d'attitude selon l'invention ; 30 La figure 3 représente une troisième représentation graphique d'une sphère d'attitude selon l'invention. Le système de visualisation aéronautique selon l'invention comprend au moins des moyens de mesure de l'attitude de l'aéronef, des yl p = a tan* X1, x2) et g = - X3 tan moyens de calcul graphique et un dispositif de visualisation. Généralement, une ou plusieurs centrales inertielles assurent la mesure de l'attitude. Les moyens de calcul sont agencés de façon que les trois informations de roulis, de lacet et de tangage définissant l'attitude de l'aéronef sont représentés sur le dispositif de visualisation par une projection centrale d'une sphère orientée sur un plan de projection virtuel situé dans le plan du dispositif de visualisation, la sphère étant représentée par une pluralité de méridiens et de parallèles, les parties cachées de la sphère n'étant pas représentées, l'orientation de la sphère étant celle de l'aéronef. La sphère d'attitude peut avoir plusieurs représentations graphiques. A titre d'exemples, les figures 1, 2 et 3 représentent trois modes de représentation de ladite sphère. Sur la figure 1, la sphère S d'attitude est représentée uniquement par des méridiens M et des parallèles P. Le reste de la sphère est monochrome. Sur cette figure, les angles de roulis, de tangage et de lacet valent respectivement 40°, 200 et 45°. Sur cette figure, le méridien principal Mo de référence 00 et le parallèle équatorial Po sont représentés en trait gras. Les méridiens et les parallèles peuvent être de même couleur ou de couleur différente. Les parallèles peuvent être séparés d'une même valeur angulaire ou être plus resserrés, par exemple, près de l'équateur. Il est également possible d'ajouter sur cette sphère des informations alphanumériques concernant les valeurs des parallèles ou des méridiens ou l'attitude de l'aéronef ou d'autres informations de pilotage ou de navigation. Cette sphère peut être représentée sur les écrans de visualisation de planche de bord. Dans une première variante représentée en figure 2, la sphère d'attitude S est représentée dans le combineur optique C d'une visualisation tête haute. Ce type de visualisation comporte un combineur optique qui superpose sur l'extérieur une image collimatée ou non. Dans ce cas, il est important que la sphère d'attitude perturbe le moins possible la vision de l'extérieur. On privilégie donc une représentation filaire, seuls sont représentés le pourtour circulaire de la sphère Cs, les méridiens M et les parallèles P. Là encore, le méridien principal Mo de référence 0° et le parallèle équatorial Po sont représentés de façon différente. Dans une seconde variante représentée en figure 3, la sphère 35 d'attitude S est constituée de deux hémisphères « nord » HN et « sud » Hs séparés par un équateur central E, les hémisphères sont de couleur ou de clarté différente. Généralement, dans ce type de représentation, l'hémisphère nord HN est de couleur bleue. Sur la figure 3, seul le méridien central Mo est représenté. Le procédé de calcul de la sphère d'attitude permet de ne calculer que les parties visibles de la sphère. Dans la mesure où ce calcul est effectué en temps réel, on réalise ainsi une économie considérable sur le temps de calcul. Le procédé selon l'invention permet de calculer les limites des parties visibles de chaque méridien et de chaque parallèle. 11 ne reste plus alors qu'à calculer les coordonnées bidimensionnelles desdites parties visibles. L'algorithme complet du procédé selon l'Invention est détaillé ci- dessous. Dans cet algorithme, un parallèle P est défini par sa latitude X Par définition, À. E - . Chaque parallèle définit un plan géographique 2 2 horizontal. Le parallèle principal correspondant à la latitude 0 définit le plan dit « équateur ». Un méridien est défini par sa longitude I. Par définition, 20 / 4-,-/-,1-7r]. Chaque méridien définit un plan géographique vertical qui contient l'axe de la sphère. Le méridien principal correspondant à la longitude 0 correspond, par exemple, à la direction « Nord ». On note R(0, Y, Z) le repère de l'écran de visualisation. La sphère d'attitude est centrée sur ce repère. On note r le rayon de la sphère d'attitude 25 tracée dans ce repère. Les trois informations de roulis, de tangage et de lacet sont représentés par les trois angles d'Euler v, 0 et (p. Les limites de tracé des parallèles et des méridiens sont notées WIN et tmAx. 30 Tracé des parallèles Le tracé des parallèles de latitude X se fait de la façon suivante. On calcule d'abord les coefficients (Xi, Yi, Zi) de la matrice de rotation MRo-r associée aux angles d'Euler y, 0 et (p. On a la relation indiquée ci-dessous : Yi Zi cosv cos° - sine cosy + cosysinOsiny sinvsiny+ cosy sinOcosy [Xi X2 Y2 Z2 = sintecost9 cosy-cosy + sinvsinasiny -cosvsiny+sinvsinOcosy X3 Y3 Z3 -sin0 cosOsiny cosOcosy Plusieurs cas se présentent. Si X, = X2 =0 et 11..X3 0, on ne trace rien. Le pat-allèle est entièrement masqué. Si X, = X2 = 0 et /1.X3 > 0 , une partie du parallèle est visible. Pour tracer N points équirépartis de coordonnées (Yi, Zi) du parallèle de latitude I et de longitude ti, i variant de 0 à N-1, on utilise les relations suivantes : 10 t /am =0 t mAx = 2ic ÔtMAX- t Amy = t MIN 4- N Y, .(171 cos t, Z,-= r .(Z1 cos t,+ Z2 sin t,).cos /1+ r.Z3 sin Dans tous les autres cas, on pose : 15 p = a tan 4- , X 2) et g= Si g >1 , on ne trace rien. Si g 1, on pose tA,'N =0, t = 2ff et on trace toute l'ellipse correspondant au parallèle X. Si --g Si X',= X'3=O on ne trace rien. Dans tous les autres cas, on pose : y = a tan 2,(- X13 ,x'1), tmilv max(0; y), tm mien.; y + 7r) et = mAx tMIN Pour tracer N points équirépartis de coordonnées (sei, Z'i) du méridien de longitudelet de latitude ti, i variant de 0 à N-1, on utilise les relations suivantes : i + if tj tmp, N Y'1=re3cost,±situ,) Z',= re'3cost,+ 8 REVENDICATIONS1. Système de visualisation aéronautique comprenant des moyens de mesure de l'attitude de l'aéronef, des moyens de calcul graphique et un dispositif de visualisation, caractérisé en ce que les moyens de calcul sont agencés de façon que les trois informations de roulis, de lacet et de tangage définissant l'attitude de l'aéronef sont représentés sur le dispositif de visualisation par une projection centrale (S) d'une sphère orientée sur un plan de projection virtuel situé dans le plan du dispositif de visualisation, la sphère étant représentée par une pluralité de méridiens (IVI) et de parallèles (P), les parties cachées de la sphère n'étant pas calculées, l'orientation de la sphère étant celle de l'aéronef, lesdits calculs étant effectués en temps réel. 2. Système de visualisation aéronautique selon la revendication 1, 15 caractérisé en ce que la sphère est représentée en mode filaire, seule sont représentés le pourtour circulaire de la sphère (Cs), les méridiens et les parallèles. 3. Système de visualisation aéronautique selon la revendication 1, 20 caractérisé en ce que la sphère étant constituée de deux hémisphères « nord » (HN) et « sud » (Ha) séparés par un équateur central (Po), les hémisphères sont de couleur ou de clarté différente. 4. Procédé de représentation graphique des trois informations de 25 roulis, de lacet et de tangage définissant l'attitude d'un aéronef par une projection centrale d'une sphère orientée sur un plan de projection virtuel situé dans le plan d'un dispositif de visualisation, la sphère étant représentée par une pluralité de méridiens et de parallèles, les parties cachées de la sphère n'étant pas représentées, caractérisé en ce que le procédé comporte 30 les étapes suivantes : - A partir des trois informations de roulis, de tangage et de lacet correspondant respectivement aux angles d'Eulery, 0 et cp, calcul d'une première matrice de rotation associée MRar, les éléments de la première colonne étant notés (X1, X2, X3), les éléments de la seconde colonne étant 9 3020457 notés (Y1, Y2, Y3) et les éléments de la troisième colonne étant notés (Z1, Z23 Z3) avec = cosy' cos O ; X2 = sin yi cos 0 ; X3 = -sin 0 - En fonction de latitudes déterminées I, détermination des 5 limites de tracé de chaque parallèle correspondant, lesdites limites dépendant, dans le cas général, de deux paramètres t et g valant respectivement : p = a tan2(-X,,X2) et g= -'X3tanÂ, -'1 (X12 +x22) - Détermination des points de tracé desdits parallèles ; 10 - En fonction de longitudes déterminées I, calcul d'un nouvel angle d'Euler y' et de la nouvelle matrice de rotation associée PVROT, les éléments de la première colonne étant notés (X'1, X'2, X'3), les éléments de la seconde colonne étant notés (\Pl, Y'2, Y'3) et les éléments de la troisième colonne étant notés (Z'1, Z2, Z'3), les deux angles d'Euler 0 et cp étant inchangés, avec : 11/' =1,1/ +1 ; i= COSO ; 2= Siny/ COSO ; XI 3= X 3 - Détermination des limites de tracé de chaque méridien correspondant, lesdites limites dépendant, dans le cas général, d'un paramètre y valant respectivement : y = a tan 2(- X13 , 1) - Détermination des points de tracé desdits méridiens.