Brevet FR3145342A1 — publié le 20240802

Dirigeable équipé d’un dispositif (100) d’amortissement d’oscillation d’une charge utile (2) maintenue par un câble (3) au-dessus d’une zone d’échange, comportant : un module (Ma) de mesure d’un angle formé par le câble avec la verticale ; un module (Ml) de mesure de la longueur de câble déployé ; un contrôleur d’amortissements (Dc) pour déterminer des ajustements de vitesse du dirigeable, à partir des mesures reçues des modules Ma et Mi, pour produire des commandes de vitesse pour amortir les oscillations pendulaires de la charge ; un contrôleur de position (Pc) pour générer des commandes de vitesses pour maintenir le dirigeable au-dessus de la zone d’échange ; un module de calcul (Su), pour combiner les commandes de vitesses du contrôleur d’amortissements (Dc) et du contrôleur de position (Pc), et générer une vitesse finale ; un contrôleur de vitesse (Sc) pour générer des commandes de poussée à destination de propulseurs du dirigeable. Figure à publier : figure 1 Amortissement actif des oscillations de la charge utile par commandes de vol automatiques La présente invention concerne un procédé pour amortir des oscillations d’une charge utile d’un dirigeable de manière active. Elle vise également un dispositif mettant en œuvre un tel procédé. Le domaine de l’invention est plus particulièrement, mais de manière non limitative, celui des ballons dirigeables à structure rigide, notamment celui des dirigeables porteurs de charge lourde. État de la technique antérieure La sécurité d’un ballon dirigeable doit être assurée par la maîtrise de la charge qu’il embarque, de sorte que celle-ci soit sensiblement constante dans le temps. Les étapes de levage, de transport et de dépose de charge utile présentant une masse importante au moyen d’un aérostat impliquent donc de résoudre une problématique liée à la variation de poids d’un aérostat qui n’est pas ramené à terre à chacun des embarquements ou débarquements des charges utiles. Pour accomplir sa mission, un ballon dirigeable doit effectuer un vol stationnaire précis pendant la phase d’échange de charge. Ce vol est effectué à l’aide de commandes de vol automatiques pour maintenir la position du dirigeable au-dessus de la zone d’échange de charge avec une poussée vectorisée. Pendant cette phase, le ballon dirigeable subit des perturbations, telles que des rafales de vent. Pour pouvoir charger ou décharger la charge utile en toute sécurité, ces oscillations doivent être amorties. Cependant, pendant le hissage, la charge utile peut commencer à osciller. Pour pouvoir charger ou décharger la charge utile en toute sécurité, ces oscillations doivent être amorties. L’invention propose une solution pour amortir les oscillations de la charge utile en utilisant des commandes de vol automatiques par des poussées vectorisées, tout en maintenant le dirigeable au-dessus de la zone d’échange de charge. Un but de l’invention est notamment de remédier à tout ou partie des inconvénients précités. Une idée qui est à la base de l’invention consiste à : contrôler la position horizontale du dirigeable en utilisant la poussée vectorielle pour maintenir sa position au-dessus de la zone d’échange de charge. L’automatisation se fait grâce à des mesures inertielles et des mesures GPS couplées à un mode de contrôle de vol automatique dédié appelé « auto hover ». pendant le hissage de la charge utile, amortir les oscillations de la charge utile en ajustant la vitesse au sol du dirigeable à l’aide de poussées vectorielles. L’automatisation se fait par des mesures d’angles et de longueurs de câbles. coupler les deux modes de contrôle pour maintenir la position du dirigeable au-dessus de la zone de chargement en compensant les rafales, et amortir activement les oscillations de la charge utile. Aussi, selon un premier aspect de l’invention, il est proposé un dirigeable équipé d’un dispositif d’amortissement d’oscillation d’une charge utile maintenue par un câble au-dessus d’une zone d’échange, comportant : un module de mesure d’un angle formé par le câble avec la verticale ; un module de mesure de la longueur de câble déployé ; un contrôleur d’amortissements pour déterminer des ajustements de vitesse du dirigeable, à partir des mesures reçues des modules Ma et Mi, pour produire des commandes de vitesse pour amortir les oscillations pendulaires de la charge ; un contrôleur de position pour générer des commandes de vitesses pour maintenir le dirigeable au-dessus de la zone d’échange ; un module de calcul, pour combiner les commandes de vitesses du contrôleur d’amortissements et du contrôleur de position, et générer une vitesse finale ; un contrôleur de vitesse pour générer des commandes de poussée à destination de propulseurs du dirigeable. Selon un deuxième aspect de l’invention, il est proposé un procédé d’amortissement d’oscillation d’une charge utile levée par un dirigeable équipé d’un dispositif selon la revendication le premier aspect de l’invention, la charge utile étant maintenue par un câble au-dessus d’une zone d’échange, comportant : une mesure d’un l’angle formé par le câble avec la verticale, une mesure de la longueur de câble déployé, une détermination d’ajustements de vitesse du dirigeable, à partir des mesures réalisées, pour produire des commandes de vitesse pour amortir les oscillations pendulaires de la charge ; une génération de commandes de vitesses pour maintenir le dirigeable au-dessus de la zone d’échange ; une combinaison des commandes de vitesses du contrôleur et des ajustements déterminés pour générer une vitesse finale ; un contrôle de vitesse pour générer des commandes de poussée à destination de propulseurs du dirigeable. Description des figures D’autres avantages et particularités de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, au regard de dessins annexés sur lesquels : la illustre un exemple de réalisation d’un dirigeable selon l’invention, la est un schéma d’un dispositif d’amortissement selon l’invention. Description de modes de réalisation Les modes de réalisation décrits ci-après n’étant nullement limitatifs, on pourra notamment considérer des variantes de l’invention ne comprenant qu’une sélection de caractéristiques décrites, par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique, de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure. Sur les figures un élément apparaissant sur plusieurs figures conserve la même référence. illustre un dirigeable 1, vue de l’arrière, procédant au levage d’une charge 2 au moyen d’un câble 3. Le dirigeable 1 est par exemple équipé d’un treuil, non représenté, sur lequel est enroulé le câble 3 pendant l’opération de levage. Comme cela est illustré, le câble peut former un angle avec l’axe de lacet du dirigeable, ce qui peut engendrer des oscillations pendulaires de la charge dans le référentiel du dirigeable. Aussi, les oscillations de la charge utile doivent être amorties avant l’entrée dans la soute, lors du chargement, ou avant de toucher le dirigeable, lors du déchargement. illustre un mode de réalisation d’un dispositif 100 selon l’invention équipant le dirigeable 1. Le dispositif 100 comporte : un module Ma de mesure de l’angle formé par le câble avec la verticale, à la fois selon un plan longitudinal et selon un plan transverse ; un module Ml de mesure de la longueur de câble déployé ; un contrôleur d’amortissements Dc, pour l’anglais D amping controller , pour déterminer des ajustements de vitesse du dirigeable 1, à partir des mesures reçues des modules Ma et Mi, pour produire des commandes de vitesse-dol à partir de la boucle d’amortissement ; un contrôleur de position Pc, pour l’anglais Position controller, pour produire des commandes de vitesses ; un module de calcul Su, pour combiner les commandes de vitesses du contrôleur d’amortissements Dc et du contrôleur de position Pc, et former une commande de vitesse finale ; un contrôleur de vitesse Sc, pour l’anglais Speed controller, pour produire des commandes de poussée. Module Ma de mesure de l’angle L’angle relatif du câble avec l’axe vertical de la terre est estimé en utilisant un capteur positionné sur le point de déploiement qui mesure l’angle relatif entre le câble et l’axe vertical du dirigeable. Cet angle est ensuite compensé pour tenir compte de l’angle d’attitude du dirigeable en utilisant les mesures de l’AHRS (tangage et roulis) pour obtenir l’angle relatif du câble avec la terre verticale. Module Ml de mesure de longueur du câble La longueur de câble déployé est déterminée à partir de la position angulaire du treuil, du rayon du treuil et du rapport de poulie possible dans le trajet du câble entre le treuil et le point de déploiement. Contrôleur d’amortissements DC Le contrôleur d’amortissements Dc est configuré pour calculer une fréquence d’oscillation de la charge utile à partir de l’estimation de la longueur du câble et de la valeur de la gravité locale (par exemple considérée comme constante g=9,81). Cette fréquence est notée « Payload_freq » et peut s’écrite : Pour une longueur de câble donnée, un régulateur PID (proportionnel, intégral, dérivé) est prévu en utilisant un modèle dynamique à une dimension d’un pendule avec un point attaché mobile. L’entrée du régulateur est l’angle du câble, et la sortie du régulateur est une commande de vitesse au point d’attache. Les gains du régulateur sont ensuite programmés pour toutes les longueurs de câble du domaine opérationnel, par exemple pour une fréquence d’oscillation de charge utile comprise entre 0,15 Hz et 0,05 Hz. Lorsque la fréquence de coupure du contrôleur régulateur obtenue est supérieure à la capacité des actionneurs (propulseurs du dirigeable), cela implique que la fonction d’amortissement n’est pas fonctionnelle sur ce domaine. Le régulateur PID défini précédemment est mis en œuvre pour amortir les oscillations longitudinales. Il prend en entrée l’angle longitudinal du câble estimé précédemment, ainsi que la longueur estimée du câble pour la détermination du gain. Il émet une commande de vitesse longitudinale delta qui adressée au module de calcul Su. Le même principe est appliqué pour l’axe latéral. Module de Kalman Kc La vitesse au sol et la position du dirigeable sont déterminées à l’aide de mesures GNSS et AHRS (latitude, longitude, altitude, accélérations et attitude). Les mesures de ces capteurs sont fusionnées à l’aide d’un filtre de Kalman ou d’un filtre complémentaire, afin de fournir une estimation de l’accélération, de la vitesse au sol et de la position. Le filtre compense également le biais de mesure d’un système l’AHRS, pour l’anglais Attitude and Heading Reference System , permettant de définir la position angulaire d'un avion dans l'espace grâce aux accélérations et aux champs magnétiques qu'ils subissent. Contrôleur de position Pc Le module Pc est configuré pour recevoir en entrée une vitesse au sol et la position du dirigeable générées par le filtre de Kalman Kc. Le contrôleur de position du dirigeable est un régulateur PD (proportionnel, dérivé) qui génère une commande de vitesse qui est envoyée au module de calcul Su. Le réglage du contrôleur de position Pc du dirigeable est effectué à l’aide d’un modèle de simulation de dynamique de vol avec une approche LQR (pour l’anglais Linear Quadratic Regulator ). Module de calcul Su Le module de calcul Su reçoit en entrée la commande de vitesse delta provenant du contrôleur d’amortissement Dc et une commande de vitesse provenant du contrôleur de position Pc. La commande de vitesse delta est additionnée à la commande du contrôleur de position du dirigeable pour l’axe longitudinal. Contrôleur de vitesse au sol Sc Le contrôleur de vitesse au sol Sc du dirigeable reçoit en entrée une estimation de la vitesse au sol et de l’accélération générée par le filtre Kalman Kc. Le contrôleur de vitesse du dirigeable est un régulateur PID (proportionnel, intégral, dérivé) qui génère des commandes adressées à des propulseurs du dirigeable. Le réglage du contrôleur de vitesse au sol Sc est effectué à l’aide d’un modèle de simulation de dynamique de vol avec une approche LQR (pour l’anglais Linear Quadratic Regulator ). Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l’invention. De plus, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l’invention peuvent être associés les uns avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où ils ne sont pas incompatibles ou exclusifs les uns des autres. Dirigeable équipé d’un dispositif (100) d’amortissement d’oscillation d’une charge utile (2) maintenue par un câble (3) au-dessus d’une zone d’échange, comportant : • un module (Ma) de mesure d’un angle formé par le câble avec la verticale ; • un module (Ml) de mesure de la longueur de câble déployé ; • un contrôleur d’amortissements (Dc) pour déterminer des ajustements de vitesse du dirigeable, à partir des mesures reçues des modules Ma et Mi, pour produire des commandes de vitesse pour amortir les oscillations pendulaires de la charge ; • un contrôleur de position (Pc) pour générer des commandes de vitesses pour maintenir le dirigeable au-dessus de la zone d’échange ; • un module de calcul (Su), pour combiner les commandes de vitesses du contrôleur d’amortissements (Dc) et du contrôleur de position (Pc), et générer une vitesse finale ; • un contrôleur de vitesse (Sc) pour générer des commandes de poussée à destination de propulseurs du dirigeable. Procédé d’amortissement d’oscillation d’une charge utile (2) levée par un dirigeable équipé d’un dispositif (100) selon la revendication 1, la charge utile étant maintenue par un câble (3) au-dessus d’une zone d’échange, comportant : une mesure d’un l’angle formé par le câble avec la verticale, une mesure de la longueur de câble déployé, une détermination d’ajustements de vitesse du dirigeable, à partir des mesures réalisées, pour produire des commandes de vitesse pour amortir les oscillations pendulaires de la charge ; une génération de commandes de vitesses pour maintenir le dirigeable au-dessus de la zone d’échange ; une combinaison des commandes de vitesses du contrôleur et des ajustements déterminés pour générer une vitesse finale ; un contrôle de vitesse pour générer des commandes de poussée à destination de propulseurs du dirigeable.