Brevet FR3052875A1 — publié le 20171222

Système de visualisation « Tête Haute » pour aéronef comportant un dispositif de lecture sans contact des paramètres d'harmonisation avec l'aéronef Le domaine de l'invention est celui des visuels dits « Tête Haute » pour aéronef et plus spécifiquement, celui de leur harmonisation par rapport à l'aéronef. Dans le domaine aéronautique, les écrans d'affichage peuvent être portés par la tête de l'utilisateur. On parle alors de système ou de dispositif « Tête Haute » porté encore appelé « HMD », acronyme de « Head-Mounted Display » ou « HWD », acronyme de « Head-Worn Display ». On trouve ce type de système à la fois pour des applications civiles et militaires. Une des particularités des HMD et des HWD est que l'image est collimatée et qu'elle apparaît en superposition sur le paysage extérieur. Par ailleurs, le HMD étant fixé sur la tête, pour projeter une image en position conforme, il est nécessaire que l'utilisateur porte également un système de détection de posture permettant de déterminer la position et l'orientation du HMD ou du HWD. On entend par position conforme d'une image d'un objet une position apparente de l'image correspondant à la position réelle qu'occuperait l'objet dans le paysage extérieur. Par exemple, une piste synthétique est affichée dans un HMD exactement à l'emplacement de la piste réelle lui correspondant. Les objets conformes sont de différentes natures. Il peut s'agir de l'horizon, de paramètres avion, d'objets comme des points de navigation ou, comme on l'a vu, des pistes d'atterrissage. L'affichage d'informations conformes nécessite d'harmoniser le repère lié à l'aéronef avec celui de l'interface du dispositif d'affichage « Tête Haute » de façon que les objets affichés soient bien dans le repère de l'aéronef. La position de l'aéronef par rapport au repère terrestre est, quant à elle, déterminée par les centrales inertielles de l'appareil. La figure 1 illustre ce problème. Si on note RA le repère lié à un aéronef A et Rc le repère lié au casque qui porte le dispositif de visualisation, même si les paramètres 3052875 2 géométriques du cockpit de l'aéronef sont connus, le repère IRc n'est jamais parfaitement aligné avec le repère RA de l'aéronef avec la précision souhaitée. En effet, une précision d'alignement de quelques milliradians est généralement nécessaire entre les deux repères, précision qui ne peut être 5 atteinte avec les tolérances habituelles des interfaces mécaniques des d'aéronefs. Les défauts résiduels d'alignement sont faibles mais ne permettent pas d'utiliser le dispositif de visualisation « Tête Haute » avec la précision d'alignement requise. Il est donc nécessaire de procéder à une harmonisation des deux repères. 10 Cette harmonisation est faite lors de la première installation sur le porteur. Concrètement, cette opération d'alignement consiste à mesurer les écarts angulaires entre les axes de l'aéronef et ceux de l'interface mécanique du visuel. Il s'agit donc de paramètres propres à l'aéronef, le dispositif d'affichage étant aligné par rapport à ses interfaces mécaniques en usine 15 avec une grande précision. Plusieurs méthodes sont possibles. On peut utiliser des mesures optiques réalisées au moyen de théodolites. On peut encore utiliser des dispositifs inertiels de grande précision et de grande stabilité temporelle. On comprend que cette opération d'harmonisation est lourde. 20 Aussi, afin d'éviter de mesurer les écarts angulaires entre les deux repères chaque fois que l'on installe un nouveau dispositif d'affichage « Tête Haute », suite, par exemple, à une panne, le système doit être interchangeable, c'est-à-dire que le nouvel équipement doit prendre en compte automatiquement ces paramètres d'harmonisation propres à l'aéronef. 25 Plusieurs méthodes ont été développées pour assurer l'interchangeabilité du dispositif d'affichage « Tête Haute » avec le porteur. La première méthode est utilisée pour les dispositifs d'affichage « Tête Haute » fixes qui sont montés à demeure sur la planche de bord. L'alignement des deux repères est réalisé mécaniquement par réglage en 30 utilisant des cales calibrées. Cet alignement est figé pour toute la durée de vie de l'appareil. L'inconvénient de cette méthode est le temps d'immobilisation du porteur, le réglage mécanique qui doit être très précis. Par ailleurs, cette méthode implique de réaliser certaines pièces mécaniques avec une très grande précision. Enfin, cette méthode est difficilement 35 transposable aux HMD. 3052875 3 La seconde méthode consiste à faire réaliser l'alignement par le pilote à chaque utilisation en lui fournissant une ligne de visée par un équipement dédié précisément positionné dans l'aéronef. Cet équipement est appelé « BRU » ou « Boresight Reticle Unit ». Cette méthode est 5 essentiellement utilisée pour l'harmonisation des viseurs de casque militaires. Les deux inconvénients de cette méthode sont de nécessiter un équipement spécifique et une opération d'alignement systématique. Enfin, une troisième méthode est employée sur les aéronefs civils. Elle consiste à stocker les informations d'alignement dans une mémoire 10 électronique liée à l'aéronef. Cette méthode a comme principal inconvénient de nécessiter une électronique dédiée à cette fonction avec les risques de panne possibles. Comme on l'a dit, le système HMD ou HWD est nécessairement accompagné d'un système de détection de posture. Il existe différents 15 principes possibles permettant de réaliser cette fonction. Une des principales techniques utilisée consiste à réaliser un système hybride comportant un capteur inertiel de type « MEMS », acronyme signifiant « Micro ElectroMechanical System » et un dispositif comportant une caméra et des mires optiques spécifiques disposées dans le cockpit. Les deux mesures 20 hybridées fournissent la position et l'orientation de la tête avec une grande précision et une cadence élevée, la mesure inertielle fournissant une mesure haute fréquence et la mesure optique fournissant une mesure à basse fréquence corrigeant la dérive du capteur inertiel. 25 Le dispositif de lecture des paramètres d'harmonisation selon l'invention utilise en partie les moyens optiques du dispositif de détection de posture pour lire les paramètres d'harmonisation. Ainsi, il s'intègre naturellement dans l'environnement du cockpit sans modifications majeures. Plus précisément, l'invention a pour objet un système de visualisation « Tête 30 Haute » pour aéronef comportant au moins un dispositif de visualisation destiné à être porté par la tête d'un utilisateur et un dispositif de détection de posture comportant un premier ensemble optique solidaire du dispositif de visualisation et un second ensemble optique composé de mires de détection optique solidaires du cockpit dudit aéronef, ledit premier ensemble optique comportant une caméra, 3052875 4 Caractérisé en ce que le système de visualisation « Tête Haute » comporte un dispositif de lecture sans contact des paramètres d'harmonisation géométriques du système de visualisation avec l'aéronef, ledit dispositif de lecture sans contact comprenant une mire d'harmonisation 5 comportant un codage optique desdits paramètres d'harmonisation et des moyens électroniques d'identification dudit codage optique lorsqu'il est filmé par la caméra, ladite mire d'harmonisation étant disposée dans le cockpit de l'aéronef. Avantageusement, les paramètres d'harmonisation comportent 10 trois écarts angulaires en site, en gisement et en roulis entre le repère de l'aéronef et celui du premier ensemble optique. Avantageusement, la mire d'harmonisation comporte des moyens d'identification de l'aéronef. Avantageusement, le codage optique est du type « QR » code ou 15 « Quick Response » code. Avantageusement, le dispositif de détection de posture comporte un capteur inertiel solidaire du premier ensemble optique. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages 20 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 précédemment commentée représente le repère du casque de visualisation dans celui de l'aéronef ; La figure 2 représente une vue d'un système de visualisation 25 comportant un dispositif de lecture sans contact des paramètres d'harmonisation selon l'invention ; La figure 3 représente une vue du premier ensemble optique du système de détection de posture ; La figure 4 représente un exemple de mire de détection de 30 posture ; La figure 5 représente un exemple de mire d'harmonisation selon l'invention. A titre d'exemple non limitatif, la figure 2 représente un système 35 de visualisation selon l'invention. Il comporte essentiellement : 3052875 5 - un casque ou un serre-tête 1 portant un dispositif de visualisation 2 et un premier ensemble optique 3 solidaire dudit dispositif de visualisation ; - un second ensemble optique composé de mires 4 de détection 5 optique implanté dans le cockpit. Le premier et le second ensemble constituent le dispositif de détection de posture du casque ; - une mire d'harmonisation 5 également implantée dans le cockpit ; - un calculateur électronique non représenté sur la figure 2. 10 Le dispositif de visualisation 2 comporte classiquement un micro-afficheur à haute résolution et haute luminosité, une optique de collimation qui forme de l'image affichée une image à l'infini et un mélangeur optique 8 qui permet de superposer l'image affichée collimatée sur le paysage 15 extérieur. Ce mélangeur 8 a la forme d'une lame mince à faces planes et parallèles sur la figure 2. Le dispositif de détection de posture comporte un premier ensemble optique 3 qui est représenté sur la figure 3. Celui-ci comporte une micro-caméra 6 et un éclairage 7 adaptée à la sensibilité de la caméra 6. Sur 20 la figure 3, cet éclairage 7 est constitué de diodes électroluminescentes réparties en cercle autour de la tête optique de la caméra 6. Le dispositif de détection de posture comporte un second ensemble optique constitué de mires 4 de détection optique solidaires du cockpit. La position des mires dans le cockpit est parfaitement déterminée. 25 Les mires sont réparties dans le cockpit de façon que, l'utilisateur portant son casque, une partie des mires est toujours visible de la caméra 6 dans une plage d'orientation du casque déterminée et dans un volume de débattement déterminé. Les mires comportent des motifs géométriques agencés de sorte que l'image des différentes mires donnée par la caméra soit représentative 30 de la position et de l'orientation du casque par rapport aux dires mires. La figure 4 représente un exemple de réalisation possible de ces mires. Dans le cas de la figure 4, la mire de détection 4 est constituée d'anneaux concentriques. Chaque anneau comporte des parties blanches et des parties noires. L'analyse de l'image de ces anneaux donnée par la 35 caméra permet de déterminer la mire observée, sa position et son 3052875 6 orientation. Il est alors facile de calculer la position et l'orientation du casque par rapport à ladite mire. Généralement, le dispositif de détection de posture est hybride et comporte un capteur inertiel de type « MEMS ». Comme on l'a vu, l'intérêt de 5 l'hybridation est de fournir la position et l'orientation de la tête avec une grande précision et une cadence élevée, la mesure inertielle fournissant une mesure haute fréquence et la mesure optique fournissant une mesure à basse fréquence corrigeant la dérive du capteur inertiel. 10 Une mire d'harmonisation 5 est également implantée dans le cockpit. Elle comporte un codage optique des paramètres d'harmonisation. Ces paramètres d'harmonisation comportent : - les trois écarts angulaires en site, en gisement et en roulis entre le repère de l'aéronef et celui du système de détection de posture ; 15 - des moyens d'identification de l'aéronef comme son modèle, son immatriculation, son numéro de série ou sa configuration. La taille de cette mire doit être suffisamment grande pour que le codage optique soit facilement détecté par la caméra. Cela ne pose pas de problèmes de réalisation particulier. 20 Le codage optique peut être du type « QR » code ou « Quick Response » code. Ce code est maintenant très largement répandu dans différents types d'applications informatiques. C'est un code matriciel. Il comporte des pixels noirs sur fond blanc. Il comprend des figures carrées délimitant sa forme, sa position et son orientation. Un exemple de ce type de 25 code est représenté en figure 5. Dans le cas de cette figure, le code n'a pas de sens particulier et est totalement aléatoire. Un tel codage permet de coder plus de 4000 caractères alphanumériques, ce qui est plus que suffisant pour les besoins du dispositif de lecture des paramètres d'harmonisation qui ne nécessite pas plus de 1 kilooctets de données. 30 Comme indiqué sur la figure 2, la mire peut être implantée au voisinage des mires de détection optique. Il est également possible de l'implanter dans un espace spécialement dédié à l'harmonisation du système de visualisation. 3052875 7 Le calculateur électronique réalise classiquement les fonctions de génération d'images et de symboles, de calcul de la posture en fonction des informations issues de la caméra et plus généralement la gestion du système de visualisation. Dans le cas du système de visualisation selon l'invention, le 5 calculateur réalise également le décodage de l'image de la mire d'harmonisation de façon à corriger les informations données par le dispositif de détection de posture des écarts angulaires données par la mire d'harmonisation. 10 La mise en oeuvre du système selon l'invention consiste, dans une première étape, à définir le repère de l'aéronef, c'est-à-dire à repérer les axes en site, en gisement et en roulis de l'aéronef. Dans une seconde étape, on mesure classiquement les écarts angulaires existant entre le repère de l'aéronef et celui de l'interface du dispositif de visualisation « Tête Haute ». 15 Connaissant ces écarts, on génère la mire d'harmonisation correspondante. Dans une étape suivante, on dispose celle-ci dans le cockpit. On la place généralement près de la constellation des mires de détection optique du dispositif de détection de posture. Sa position est telle qu'elle est facilement détectée par la caméra du système de détection de posture du casque. 20 Enfin, à l'initialisation du dispositif d'affichage, la lecture des informations d'harmonisation est automatique. Les avantages principaux de ce dispositif de détection de posture sont essentiellement : 25 - sa simplicité de mise en oeuvre. Il suffit d'ajouter une mire d'harmonisation particulière dans le cockpit. On utilise une caméra déjà présente dans le cockpit ; - sa robustesse. La durée de vie de la mire d'harmonisation est nécessairement très grande. REVENDICATIONS1. Système de visualisation « Tête Haute » pour aéronef comportant au moins un dispositif de visualisation (2) destiné à être porté par la tête d'un utilisateur et un dispositif de détection de posture comportant un premier ensemble optique (3) solidaire du dispositif de visualisation et un second ensemble optique (4) composé de mires de détection optique solidaires du cockpit dudit aéronef, ledit premier ensemble optique comportant une caméra (6), caractérisé en ce que le système de visualisation « Tête Haute » comporte un dispositif de lecture sans contact des paramètres d'harmonisation géométriques du système de visualisation avec l'aéronef, ledit dispositif de lecture sans contact comprenant une mire d'harmonisation (5) comportant un codage optique desdits paramètres d'harmonisation et des moyens électroniques d'identification dudit codage optique lorsqu'il est filmé par la caméra, ladite mire d'harmonisation étant disposée dans le cockpit de l'aéronef. 2. Système de visualisation « Tête Haute » selon la revendication 1, caractérisé en ce que les paramètres d'harmonisation comportent trois écarts angulaires en site, en gisement et en roulis entre le 20 repère de l'aéronef et celui du premier ensemble optique. 3. Système de visualisation « Tête Haute » selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la mire d'harmonisation comporte des moyens d'identification de l'aéronef. 25 4. Système de visualisation « Tête Haute » selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le codage optique est du type « QR » code ou « Quick Response » code. 3052875 9 5. Système de visualisation « Tête Haute » selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de détection de posture comporte un capteur inertiel solidaire du premier ensemble optique.