Brevet FR3061598A1 — publié le 20180706

Procédé de calcul et d'affichage d'informations de pilotage comportant un « Relief Factor » Le domaine général de l'invention est celui de l'affichage de symbologies ou d'images réelles ou synthétiques du paysage extérieur dans un système de visualisation pour aéronef. Ces systèmes d'imagerie synthétique sont connus sous l'acronyme « SVS », signifiant « Synthetic Vision System ». Cette image synthétique est représentée en projection tridimensionnelle de façon à correspondre au mieux à la réalité du paysage extérieur. Cette image comporte généralement des informations de pilotage et de navigation connues sous l'appellation « PFD » signifiant « Primary Flight Display ». Ces informations comportent, en particulier, une échelle représentative du tangage de l'appareil connue sous l'appellation « échelle de pitch » ainsi qu'un symbole représentatif de la direction de l'aéronef connu sous l'acronyme « FPV », signifiant « Flight Path Vector ». L'image est généralement affichée sur les écrans de visualisation de la planche de bord de l'aéronef. La figure 1 représente de façon schématique ce type d'affichage dans lequel on trouve une représentation en pointillés du paysage extérieur T, une échelle de pitch PE représentée par des graduations et un symbole A du FPV. La représentation graphique d'informations superposées à la représentation du paysage extérieur pose un certain nombre de problèmes. Le premier problème est que la parfaite projection 25 tridimensionnelle d'un paysage n'est pas nécessairement perçue comme telle par le pilote. Pour contrer cette difficulté, le brevet US 8 159 416 intitulé « Synthetic vision dynamic field of view » décrit un changement dynamique du champ de vision ou « FOV », acronyme de « Field Of View » pour avoir une meilleure conscience de la situation en fonction de la vitesse de l'avion 30 ou de son altitude. Par exemple, le FOV augmente lorsque l'avion est au sol de façon que le pilote puisse voir plus largement sur les côtés et le FOV 3061598 2 diminue en altitude. Ce système permet donc de zoomer le champ de vision sans déformations. Cette solution ne résout qu'imparfaitement l'absence d'aspect réaliste du paysage extérieur ou perçu comme tel. Un second problème est l'affichage des informations de pilotage 5 et, en particulier de l'échelle de pitch lorsqu'elle doit être superposée à l'image synthétique du paysage extérieur. En l'absence de représentation SVS, l'échelle de pitch qui est constituée de graduations est généralement linéaire, c'est-à-dire que les espacements de ses graduations sont constants. Dans une représentation SVS, cette représentation linéaire ne 10 peut plus être conforme, c'est-à-dire parfaitement superposée au paysage représenté à l'écran. En effet, les principes de génération graphique d'une image tridimensionnelle ou 3D sur un écran implique une projection de l'image 3D dans un plan bidimensionnel. Il en résulte une déformation de la scène 3D affichée à l'écran selon une loi proportionnelle à la fonction 15 tangente. Selon ce principe, un objet tridimensionnel représentant une échelle linéaire devient une échelle non-linéaire une fois projeté dans un plan. Un moyen de résoudre le problème est de modifier l'échelle de pitch par l'application de la fonction de projection, proportionnelle à la fonction tangente. Les brevets US 8 344 911 intitulé « System, module, and method 20 for generating non-linearly spaced graduations for a symbolic linear scale » et US 7 825 831 « Aircraft flight display with a non-linear pitch scale » décrivent des solutions de ce type. Ces méthodes de présentation ne permettent pas d'assurer à la fois une présentation d'image synthétique satisfaisante et une superposition sans distorsion de l'échelle de pitch. Le procédé de représentation graphique bidimensionnelle selon l'invention ne présente pas ces inconvénients. Il consiste à étirer le terrain dans sa dimension verticale par l'application d'un facteur d'échelle appelé « Relief Factor » et d'appliquer simultanément une correction de l'échelle de pitch linéaire permettant de correspondre à la déformation du terrain, cette correction étant fonction de la valeur de pitch de la maquette avion. Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé de représentation graphique bidimensionnelle sur un écran d'affichage d'aéronef d'une image ou d'un symbole ou d'une symbologie dont les coordonnées tridimensionnelles dans un repère terrestre sont connues, caractérisé en ce que la représentation 3061598 3 graphique dudit objet ou dudit symbole est dilatée dans un axe vertical d'un facteur constant (a), ladite dilatation ayant pour plan neutre le plan géographique horizontal local contenant l'aéronef. Avantageusement, ladite symbologie est une échelle de tangage 5 constituée de graduations, deux graduations successives étant séparées d'une valeur angulaire constante, caractérisé en ce que les représentations graphiques de deux graduations successives de l'échelle de tangage sont séparées d'une distance constante sur l'écran d'affichage, ladite distance étant proportionnelle au produit du facteur constant (a) par un second facteur 10 (p), le second facteur ([3) dépendant de l'angle de site instantané (S) de l'aéronef selon l'expression : 1+ tan2(S) = 1+ a2tan2(S) Avantageusement, la représentation graphique comportant un symbole représentatif de la trajectoire de l'aéronef, la cordonnée verticale du 15 symbole dans un repère terrestre est multipliée par le facteur constant (a) avant passage dans le repère de l'aéronef et projection sur l'écran d'affichage. Avantageusement, l'échelle de tangage est superposée sur une représentation synthétique du paysage extérieur, ladite représentation 20 synthétique du paysage extérieur étant dilatée du facteur constant (a) dans un axe vertical terrestre. Avantageusement, le symbole est relatif à l'échelle de tangage ou est un repère de navigation. Avantageusement, l'image est issue d'un capteur d'images. 25 Avantageusement, le facteur constant (a) est compris entre 1.0 et 1.2. Avantageusement, l'écran d'affichage est un écran de la planche de bord opaque ou semi-transparent ou un écran d'un dispositif de visualisation tête haute. 30 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 : 3061598 4 La figure 1 déjà commentée représente de façon schématique l'affichage d'une image SVS comportant une symbologie de pilotage ; La figure 2 représente la métrique de projection conforme d'un champ exprimé en coordonnées angulaires sur un écran plat 5 bidimensionnel ; La figure 3 représente un repère tridimensionnel référencé par rapport à un écran bidimensionnel ; Les figures 4 et 5 représentent une échelle de pitch affichée selon l'art antérieur et selon l'invention. 10 Le procédé selon l'invention est mis en oeuvre dans un système avionique. Celui-ci comporte classiquement : - des capteurs permettant de connaître la position dans l'espace et l'attitude de l'aéronef. Ce sont, par exemple, un système de 15 géolocalisation par satellite ou une centrale inertielle ; - une base cartographique de données représentative du terrain survolé ; - un calculateur graphique permettant de calculer, à partir des données précédentes, une image graphique ; 20 - un ou plusieurs dispositifs de visualisation montés sur la planche de bord et/ou en tête haute. Le procédé selon l'invention nécessite des calculs qui sont essentiellement des calculs de changement de repère tridimensionnel ou 25 bidimensionnel. Ces calculs sont facilement exécutables en temps réel par le logiciel approprié par les calculateurs de bord de l'appareil. Les calculs réalisés par ce logiciel sont détaillés ci-dessous. Pour un système de visualisation semi-transparent comme le sont les systèmes de visualisation tête haute ou les systèmes à projection sur 30 pare-brise, un symbole projeté est dit conforme s'il désigne un point, une forme ou un vecteur qui représente un élément physique en parfaite superposition sur la scène réelle. A titre d'exemples, le point peut être un but ou un autre porteur, la forme peut être un plan de vol ou une piste d'atterrissage, le vecteur peut représenter la vitesse de l'appareil ou une 3061598 5 direction de consigne. Le symbole projeté est alors la trace sur l'écran de visualisation de l'objet tridimensionnel. Par extension, on parle de projection conforme pour un écran de visualisation non transparent, dès lors que l'on veut donner l'impression 5 d'une représentation de scène tridimensionnelle. Le système projectif conforme est alors constitué d'une partie utile de l'écran à laquelle on associe des champs de vue, c'est-à-dire un champ horizontal et un champ vertical. La figure 2 représente ce type de projection sur un écran E. Cet écran E a comme centre le point O, DH est sa demi-longueur et Dv est sa 10 demi-hauteur. Cet écran est censé représenter un champ angulaire dont la demi-largeur angulaire yFi correspond à la demi-longueur DH et dont la demi-hauteur angulaire yv correspond à la demi-hauteur Dv. Sa focale métrique fri, conforme est la longueur OTO. Elle vaut donc : DH Dv f.= tan yH tan 7v 15 En général, les entrées utiles de l'écran E sont les coordonnées en pixels. Si les dimensions métriques des pixels sont 5F1 et 5v et le nombre de pixels des demi-dimensions de l'écran sont H et V, alors on définit deux focales fH et fv exprimées en pixels et liées à la focale métrique par les relations : 20 fn= fH8H= fv8v Dans le cas courant de pixels carrés, 5H et 3v sont égaux et par conséquent, les focales fH et fv sont aussi égales. Dans ce cas, on doit avoir cohérence entre les dimensions des pixels et les champs associés selon la formule : 25 H tan yH V tan yv Ceci étant posé, il est possible de définir un repère tridimensionnel RE(iv,.71,,liv) lié à l'écran E précédent. Il est représenté en figure 3. Dans ce repère, un point P ou un vecteur dont les cordonnées sont (Xv, Yy, Zy) se projette dans le plan de l'écran E au point P' de coordonnées : Yv Zv 30 XH = fH - Xv = - fv. - Xv Xv Lorsque l'écran est disposé dans un aéronef, ce dernier repère RE se confond avec celui de l'aéronef RAV et on a les relations suivantes : 3061598 6 0 Av - Origine aéronef 1 AV ' Axe de l'aéronef, positif vers l'avant AV: Axe des ailes de l'aéronef, positif vers la droite kAV: Axe vertical de l'aéronef, positif vers le bas 5 Il est alors possible, connaissant les coordonnées d'un point P dans un repère terrestre RGEO de déterminer ces coordonnées d'abord dans le repère de l'aéronef puis dans celui bidimensionnel de l'écran E. Le repère géographique local est défini de la façon suivante : OGE0 : Origine aéronef confondu avec 0 Av 10 iGEO: Axe tangent terrestre Nord %GEO Axe tangent terrestre Est Axe radial terrestre Bas Si le point P a comme coordonnées géographiques (XGEO, YGEO, ZGEO), ces coordonnées dans le repère tridimensionnel de l'écran sont (XAV, 15 YAV, ZAV). Le changement de coordonnées est réalisé par la matrice de rotation R selon la relation suivante : ( X AV r X GEO\ YAV T - YGEO \ZAV ) \Z GEO ) Où la matrice de rotation R est la matrice de rotation du porteur. Elle est, par exemple, issue des angles d'Euler qui sont le gisement G, le site 20 S et le roulis R. Dans le cas d'un aéronef, le gisement correspond au cap de l'aéronef et le site à son tangage ou « pitch ». Dans ce cas, la matrice Rvaut: (cos G. cos S - sin G. cos R + cos G. sin S. sin R sin G. sin R + cos G. sin R. cos R R = sin G. cos S cos G. cos R + sin G. sin S. sin R - cos G. sin R + sin G. sin S. cos R - sin S cos S. sin R cos S. cos R 25 Une fois calculé les coordonnées (XAV, YAV, ZAV) dans le repère de l'aéronef, il est facile de déterminer les coordonnées (xH, xv) de ce même point dans celui de l'écran E. Elles sont : YAV ZAV XH= fH. et xv = fv. XAV XAV 3061598 7 Ces outils de calcul étant établis, on peut déterminer le tracé d'un objet quelconque de coordonnées connues, comme, par exemple, un terrain synthétique sur l'écran. Il a été démontré qu'une légère déformation du terrain synthétique 5 dans l'axe vertical peut donner au pilote l'impression d'être plus ressemblant à la réalité, c'est-à-dire plus ressemblant au paysage vu au-travers du pare-brise. La représentation du terrain synthétique selon l'invention est donc étirée dans sa dimension verticale par l'application d'un facteur d'échelle a 10 appelé « Relief Factor ». L'objectif de ce coefficient est d'accentuer l'effet de relief géographique de façon que le pilote ait une meilleure conscience de la situation. Ce « Relief Factor » déforme donc le paysage et la conformité absolue avec le monde extérieur. L'effet du Relief Factor est maximal lorsque le porteur est à l'horizontal, et est minimal lorsque le porteur est à la verticale 15 quand il est en piqué, par exemple. Le procédé selon l'invention n'est pas limité aux représentations synthétiques du paysage extérieur. Il peut aussi s'appliquer à des images réelles issues des capteurs de bord comme les caméras thermiques. 20 Bien entendu, l'application de ce Relief Factor ne peut s'appliquer, pour des raisons immédiates de problème de superposition d'images, sur les écrans semi-transparents qu'en prenant le facteur constant a égal à 1. Généralement, le facteur constant a est compris entre 1,0 et 1,2. Dans le cas d'un facteur constant a égal à 1, une image capteur 25 issue, par exemple, d'une caméra infrarouge, sans relief factor est aussi conforme au reste des informations affichées. Dans le cas de l'affichage d'une image capteur en tête basse sur un écran opaque, on peut choisir entre deux options : - Relief factor égal à 1 pour toutes les informations affichées, y 30 compris le terrain synthétique, l'échelle de pitch, Il n'y a alors pas d'adaptation de l'image capteur avec un Relief Factor ; - Relief factor différent de 1. Il y a alors adaptation de l'image capteur avec un Relief Factor. 3061598 8 Soit un point M ayant comme coordonnées géographiques (XGEO, YGEO, ZGEO) dans le repère terrestre RGEO tel que défini précédemment, ces nouvelles coordonnées sont, après application d'un Relief Factor a, (X'GEO, Y'GEO, Z'GEO)- Ces coordonnées vérifient les relations simples suivantes : 5 X'GEO = XGEO Y'GEO = YGEO ZGEO = a-ZGEO On peut ainsi tracer sur l'écran de visualisation en représentation « dilatée » n'importe quel objet ou symbole de coordonnées connues. 10 A titre de premier exemple, pour tracer le projeté du vecteur vitesse FPV de l'aéronef connu dans le repère géographique en prenant en compte le Relief Factor, on effectue les étapes suivantes : - Calcul de la matrice de rotation de l'aéronef prenant en compte 15 le Relief Factor, - Calcul des coordonnées du FPV dans le repère géographique en prenant en compte le Relief Factor ; - Changement de repère desdites coordonnées pour les passer dans le repère tridimensionnel de l'écran ; 20 - Projection desdites coordonnées dans le repère bidimensionnel de l'écran. A titre de second exemple, on peut appliquer le Relief Factor à l'échelle de pitch. L'échelle de pitch se représente sur un dispositif de 25 visualisation dont le repère tridimensionnel se confond avec le repère de l'aéronef. C'est la projection de certains plans du faisceau dont l'axe commun est la droite horizontale dirigé par l'axe transversal du porteur avant l'application de son roulis. Les plans projetés sont choisis dans le faisceau selon l'angle de leur normale avec la verticale, en général selon une 30 progression angulaire linéaire, de -90° à +90° par pas constants. Généralement, ce pas vaut 10°. Plus précisément, pour une valeur angulaire P donnée, l'échelon de pitch P est un segment de la droite qui est la projection bidimensionnelle du plan défini par la rotation d'angle P du plan (OAvDTGE037GEO) autour de l'axe 35 (°Av,JIGE0) où fiGEO = -sin G.T GE° ± COS G.IGE0 Ainsi, à roulis nul, le point 3061598 9 central de l'échelon est le projeté bidimensionnel du vecteur dont les coordonnées géographiques sont : "cos G.cos P\ sin G.cos P -sin P La meilleure approximation pour la coordonnée x, d'un échelon 5 de l'échelle de pitch linéaire affichée en présence de Relief Factor est : xv = f .k.(P - S) P étant le site de l'échelon, S étant le site de l'aéronef, (P-S) étant exprimé en radians et k = a. + tan2(s) si S est différent de ± 90° et k =1 si S est 1+a2 tan2(S) a égal à ± 90°. 10 On note 8p le pas angulaire constant entre les plans de l'échelle de pitch. Généralement, ce pas vaut 10 degrés. Ainsi, l'échelle de pitch bidimensionnelle est bien linéaire, dans le sens où les écarts entre deux échelons sont tous les mêmes de valeur en pixels Ap et valent f .k .8 p . Il faut noter que, dans ce cas, cette valeur commune d'écart dépend du site avion 15 S. Elle peut donc varier à chaque cycle de calcul. L'échelle de pitch n'est donc plus rigoureusement conforme au terrain. L'erreur de conformité est nulle au niveau de la maquette avion, au centre de l'écran, et est maximale en bord de champ visible de l'échelle de pitch. Cette erreur maximale est faible, puisqu'elle est constamment 20 compensée par la correction variable en fonction du pitch de la maquette avion et cette erreur maximale est largement acceptable si on la compare à l'incertitude globale faite, entre autres, de l'incertitude de mesure de l'angle liée à la précision du système «AHRS » acronyme de « Attitude and Heading Reference System » et de l'incertitude de conversion sur le dispositif de 25 visualisation. A titre d'exemple, pour un Relief Factor de 1,2 et un range visible à l'écran de l'échelle de pitch de 25°, l'erreur maximale de « non-conformité » de la graduation la plus en bord de champ est de 0,16° pour un pitch avion de 0° et cette erreur est de 0,23° pour un pitch avion de 70°. Ce niveau 30 d'erreur est tout à fait acceptable. Les figures 4 et 5 représentent la même échelle de pitch représentée sur un écran d'affichage selon l'art antérieur sur la figure 4 et 3061598 10 selon l'invention sur la figure 5. Sur la figure 4, M représente l'écart en pixels entre l'horizon et la première graduation de l'échelle de pitch et A2 représente l'écart en pixels entre la première graduation et la seconde graduation de l'échelle de pitch. Dans la mesure où ce second écart est 5 conforme au paysage extérieur, il est supérieur à l'écart M . Sur la figure 5, Al représente l'écart en pixels entre l'horizon et la première graduation de l'échelle de pitch pour un pas angulaire identique à celui de la figure 4 et A'2 représente l'écart en pixels entre la première graduation et la seconde graduation de l'échelle de pitch. Dans la mesure où un Relief Factor a été 10 appliqué, l'écart Al est supérieur à l'écart M. Par contre, l'écart A'2 est égal à l'écart Al . Il n'est plus conforme au paysage extérieur mais, comme il a été dit, l'erreur reste acceptable. Selon les mêmes principes, on peut déformer tout symbole 15 attaché à l'échelle de tangage, mais aussi les repères de navigation que sont le plan de vol, les points de passage ou « waypoint », le trafic aérien, ... L'écran d'affichage peut être un écran de la planche de bord opaque ou semi-transparent ou un écran d'un dispositif de visualisation tête 20 haute. Dans ce dernier cas, le Relief Factor est nécessairement égal à 1 pour assurer la conformité de la superposition de l'image synthétique avec le paysage extérieur, ce qui donne, pour un range visible à l'écran de l'échelle de pitch de 25°, une erreur maximale de « non-conformité » de la graduation la plus en bord de champ de 0,19° pour un pitch avion de 0° et une erreur de 25 0,19° pour un pitch avion de 70°. Ce niveau d'erreur est tout à fait acceptable. REVENDICATIONS1. Procédé de représentation graphique bidimensionnelle sur un 5 écran (E) d'affichage d'aéronef d'une image ou d'un symbole ou d'une symbologie (PE) dont les coordonnées tridimensionnelles dans un repère terrestre sont connues, caractérisé en ce que la représentation graphique dudit objet ou dudit symbole est dilatée dans un axe vertical d'un facteur constant (a), ladite dilatation ayant pour plan neutre le plan géographique 10 horizontal local contenant l'aéronef. 2. Procédé de représentation graphique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite symbologie est une échelle de tangage (PE) constituée de graduations, deux graduations successives étant séparées 15 d'une valeur angulaire constante, caractérisé en ce que les représentations graphiques de deux graduations successives de l'échelle de tangage sont séparées d'une distance constante sur l'écran d'affichage, ladite distance étant proportionnelle au produit du facteur constant (a) par un second facteur (13), le second facteur (p) dépendant de l'angle de site instantané (S) de 20 l'aéronef selon l'expression : 1+ tan2(S) = 1 + a 2 tan2(S) 3. Procédé de représentation graphique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la représentation graphique 25 comportant un symbole (A) représentatif de la trajectoire de l'aéronef, la cordonnée verticale du symbole dans un repère terrestre est multipliée par le facteur constant (a) avant passage dans le repère de l'aéronef et projection sur l'écran d'affichage. 30 4. Procédé de représentation graphique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'échelle de tangage est superposée sur une représentation synthétique (T) du paysage extérieur, ladite représentation synthétique du paysage extérieur étant dilatée du facteur constant (a) dans un axe vertical terrestre. 3061598 12 5. Procédé de représentation graphique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le symbole est relatif à l'échelle de tangage. 6. Procédé de représentation graphique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le symbole est un repère de navigation. 7. Procédé de représentation graphique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'image est issue d'un capteur d'images. 8. Procédé de représentation graphique selon l'une des 15 revendications précédentes, caractérisé en ce que le facteur constant (a) est compris entre 1.0 et 1.2. 9. Procédé de représentation graphique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'écran d'affichage est un 20 écran de la planche de bord opaque ou semi-transparent ou un écran d'un dispositif de visualisation tête haute.