DescriptionDescription
Titretitle
Système d'atterrissage et de navigation avec représentation virtuelle de l'environnementLanding and navigation system with virtual representation of the environment
Domaine techniqueTechnical area
La présente invention fait partie des systèmes d'affichage pour avions, hélicoptères et hybrides (tilt rotor), plus particulièrement des systèmes de visualisation virtuelle qui fournissent un affichage vidéo basé sur la reconstitution virtuelle de l'environnement. Le domaine d'utilisation principal de ce système est le décollage, le vol, l'atterrissage dans des conditions météorologiques défavorables avec le but de simplifier les procédures utilisées par ces sujets.The present invention is part of display systems for aircraft, helicopters and hybrids (tilt rotor), more particularly virtual display systems which provide a video display based on the virtual reconstruction of the environment. The main field of use of this system is takeoff, flight, landing in adverse weather conditions with the aim of simplifying the procedures used by these subjects.
Etat de la techniqueState of the art
La procédure du 'Instrumental Landing System' (ILS) est, à l'heure actuelle, identique pour les avions et les hélicoptères. Ceci provoque un effet bouchon dû à la vitesse réduite de hélicoptères. De plus, l'indication des instruments permettant l'atterrissage est peu conviviale.The procedure of the 'Instrumental Landing System' (ILS) is, at present, identical for the planes and the helicopters. This causes a traffic jam effect due to the reduced speed of helicopters. In addition, the indication of the instruments allowing the landing is not very user-friendly.
Présentation détaillée de l'inventionDetailed presentation of the invention
Ce système de visualisation permet le décollage, le vol et l'atterrissage en fournissant une image virtuelle de l'environnement, des obstacles, des autres véhicules et de la trajectoire à suivre.This visualization system allows takeoff, flight and landing by providing a virtual image of the environment, obstacles, other vehicles and the path to follow.
Les améliorations apportées par ce système sont principalement: + L'installation de bord nécessaire est réduite par rapport aux autres systèmes et peut être embarquée sur n'importe quel hélicoptère ou avion, sans contrainte de poids et de volume. + Le système peut être employé sans et avec installation au sol. L'installation au sol est de toute façon moins complexe que celles existantes et elle peut être installée là où une gestion du trafic est requise. + Etant donné que jusqu'à maintenant la procédure d'atterrissage est identique pour les hélicoptères et les avions, un effet bouchon peut se produire dans la zone d'atterrissage, en raison de la grande différence de vitesse. Ce même problème se
pose lors du décollage et de la navigation. Le système propose donc de séparer les procédures, afin de libérer le temps et l'espace occupés par les hélicoptères. Pour y parvenir, il est possible d'exploiter les performances de l'hélicoptère, comme une vitesse d'atterrissage très basse et le vol stationnaire. Cela permet, d'une part, de se poser manuellement avec une visibilité presque nulle et n'importe où et, d'autre part, de redéfinir la notion de vol aux instruments.The improvements brought by this system are mainly: + The on-board installation required is reduced compared to other systems and can be carried on any helicopter or plane, without weight and volume constraints. + The system can be used without and with installation on the ground. The installation on the ground is in any case less complex than the existing ones and it can be installed where traffic management is required. + Since until now the landing procedure is identical for helicopters and airplanes, a traffic jam effect can occur in the landing zone, due to the large difference in speed. This same problem occurs poses during takeoff and navigation. The system therefore proposes to separate the procedures, in order to free up the time and space occupied by the helicopters. To achieve this, it is possible to exploit the performance of the helicopter, such as a very low landing speed and hovering. This allows, on the one hand, to land manually with almost zero visibility and anywhere and, on the other hand, to redefine the concept of instrument flight.
Partant d'un modèle 3D du terrain et des obstacles, ce système reconstitue et affiche la vue du pilote en temps réel sur un écran virtuel monté sur le casque (HMD : HelmetStarting from a 3D model of the terrain and obstacles, this system reconstructs and displays the pilot's view in real time on a virtual screen mounted on the helmet (HMD: Helmet
Mounted Display).Mounted Display).
Lors du décollage, le système visualise l'environnement, les autres véhicules et la trajectoire à suivre - pas nécessairement droite - en trois dimensions. Pendant le vol, la visualisation 3D du terrain, des obstacles (câbles de haute tension, antennes, etc.) et de la trajectoire permet d'effectuer le vol en toute sécurité. Pendant la phase d'atterrissage, le pilote peut profiter des mêmes détails d'affichage qu'au décollage.During takeoff, the system visualizes the environment, the other vehicles and the trajectory to follow - not necessarily straight - in three dimensions. During the flight, 3D visualization of the terrain, obstacles (high voltage cables, antennas, etc.) and the trajectory allows the flight to be carried out safely. During the landing phase, the pilot can benefit from the same display details as on take-off.
Le système décrit jusqu'à ce point permet d'atterrir et de décoller avec une visibilité réduite au minimum, en tout endroit (aéroports, héliports, ports avions, hôpitaux, refuges de montagne, practice de golf, etc.).The system described up to this point makes it possible to land and take off with visibility reduced to a minimum, in any location (airports, heliports, aircraft ports, hospitals, mountain huts, golf practice, etc.).
Le système monté sur un hélicoptère permet de calculer les paramètres nécessaires pour la reconstitution de l'image virtuelle et pour la communication avec les autres stations fixes et mobiles. Les paramètres pour le positionnement sont calculés à l'aide des informations reçues du DGPS, d'une plate-forme inertielle, d'un radio altimètre, d'un altimètre et d'un système qui permet de mesurer la position de la tête du pilote. Néanmoins, des interfaces vers des instruments fournissant d'autres informations (air speed, vertical speed, heading, radar météo, etc.) sont prévues.The system mounted on a helicopter makes it possible to calculate the parameters necessary for the reconstruction of the virtual image and for communication with other fixed and mobile stations. The parameters for positioning are calculated using information received from the DGPS, an inertial platform, a radio altimeter, an altimeter and a system that measures the position of the head of the pilot. However, interfaces to instruments providing other information (air speed, vertical speed, heading, weather radar, etc.) are planned.
Le système est équipé de deux interfaces radio pour la communication entre les différents véhicules et pour la communication avec la station fixe. La séparation du trafic des aéroports est garantie avec un accès multiple CDMA (code division multiple access). Chaque aéroport possède sont propre code qui est connu par les systèmes embarqués sur les hélicoptères.The system is equipped with two radio interfaces for communication between the different vehicles and for communication with the fixed station. Separation of airport traffic is guaranteed with multiple CDMA access (division multiple access code). Each airport has its own code which is known by the systems on board helicopters.
Cette interface fait partie d'un réseau sans fil qui relie tous les équipements fixes et mobiles. Ce réseau permet l'échange d'informations sur les positionnements des autres véhicules et des instructions venant de la station de contrôle fixe centralisée, mais pas nécessairement présente. Chaque membre possède une adresse unique permettant de s'identifier et d'étiqueter ses messages. L'utilité de cette interface radio est de pouvoir
mettre à jour dynamiquement l'image du point de vue du pilote, en ajoutant les objets se trouvant dans le même espace aérien, et une éventuelle trajectoire pour guider le pilote dans son atterrissage. Les messages reçus par les autres membres du réseau sans fil sont utilisés pour cette mise à jour.This interface is part of a wireless network which connects all fixed and mobile equipment. This network allows the exchange of information on the positioning of other vehicles and instructions from the centralized fixed control station, but not necessarily present. Each member has a unique address allowing them to identify themselves and label their messages. The usefulness of this radio interface is to be able dynamically update the image from the pilot's point of view, by adding objects located in the same airspace, and a possible trajectory to guide the pilot in his landing. Messages received by other members of the wireless network are used for this update.
Toutes les informations nécessaires pour la visualisation de la scène sont enregistrées dans une base de données contenant la description du terrain et une base de données pour les obstacles. Il est possible d'actualiser la base de données des obstacles au moyen de l'interface radio.All the information necessary for viewing the scene is recorded in a database containing the description of the terrain and a database for obstacles. It is possible to update the obstacle database using the radio interface.
A la présence du signal DGPS, la position de l'hélicoptère est calculée utilisant les informations ainsi reçues. Etant donné que la fréquence des arrivées des informations d'un DGPS est trop faible pour un rafraîchissement en temps réel, une plate-forme inertielle est utilisée pour recevoir les paramètres nécessaires et ainsi permettre une interpolation de la trajectoire de vol. Dans le cas d'une perte de signal DGPS, la mesure de la position est garantie avec les informations de la plate-forme inertielle toute seule ou en la combinant avec les données des instruments supplémentaires.When the DGPS signal is present, the position of the helicopter is calculated using the information thus received. Since the frequency of arrival of information from a DGPS is too low for real-time refreshment, an inertial platform is used to receive the necessary parameters and thus allow interpolation of the flight path. In the event of a DGPS signal loss, position measurement is guaranteed with information from the inertial platform alone or by combining it with data from additional instruments.
La station au sol, commandée par le personnel de l'aéroport, s'occupe de la synchronisation du trafic aérien. En fonction du type de message reçu de l'hélicoptèreThe ground station, commanded by airport staff, is responsible for the synchronization of air traffic. Depending on the type of message received from the helicopter
(intention d'atterrissage, de passage, décollage, urgence, etc.), elle intervient sur le système de visualisation, soit en proposant une trajectoire à suivre, soit en envoyant des messages à afficher.(intention of landing, passage, takeoff, emergency, etc.), it intervenes on the display system, either by proposing a trajectory to follow, or by sending messages to display.
La précision du positionnement pendant la phase d'atterrissage dépend de la présence de la station au sol. La précision garantie avec DGPS (1m) est améliorée à 1 cm en utilisant les fonctionnalités de la station au sol.The accuracy of positioning during the landing phase depends on the presence of the station on the ground. The precision guaranteed with DGPS (1m) is improved to 1 cm by using the functionalities of the ground station.
Le système embarqué peut également être connecté au 'flight director" pour le calcul de données pour le pilote automatique.The on-board system can also be connected to the flight director for calculating data for the autopilot.
Le système embarqué dispose d'une interface de commande permettant de configurer et de contrôler différents paramètres d'affichage et de vol : planification et affichage de la trajectoire d'un vol en trois dimensions, affichage d'un 'moving map', affichage de la vue arrière pour garantir une vue sur 360°, affichage de paramètres de vol et de la trajectoire imposée par la station au sol.The on-board system has a command interface for configuring and controlling various display and flight parameters: planning and display of the trajectory of a flight in three dimensions, display of a 'moving map', display of the rear view to guarantee a 360 ° view, display of flight parameters and the trajectory imposed by the ground station.
Réalisation de l'inventionRealization of the invention
Le calcul de la position est effectué en utilisant les informations de position du DGPS (figure 1, bloc 1). Cette position est disponible au maximum 5 fois par seconde. La plate-
forme inertielle (figure 1, bloc 2) fournit les informations nécessaires pour connaître les vitesses dans les trois axes et les coordonnées, afin de pouvoir interpoler les points jusqu'au prochain message du DGPS. La plate-forme inertielle fournit aussi les inclinaisons dans les trois axes qui sont ainsi utilisées pour l'affichage et la transposition des vitesses sur le repère de référence.The position is calculated using the DGPS position information (Figure 1, block 1). This position is available a maximum of 5 times per second. The platform inertial form (Figure 1, block 2) provides the information necessary to know the speeds in the three axes and the coordinates, in order to be able to interpolate the points until the next DGPS message. The inertial platform also provides the inclinations in the three axes which are thus used for the display and the transposition of the speeds on the reference frame.
Si l'information du DGPS est absente, seules les informations de la plate-forme inertielle, combinées avec les autres instruments, sont utilisées pour le calcul de la position. Si l'hélicoptère est en vol stationnaire, les informations de la plate-forme inertielle sont utilisées pour filtrer le saut de position causé par l'erreur du DGPS.If the DGPS information is missing, only the information from the inertial platform, combined with the other instruments, is used to calculate the position. If the helicopter is hovering, information from the inertial platform is used to filter the position jump caused by the DGPS error.
Le radio altimètre (figure 1, bloc 3) permet, comme première fonctionnalité, de vérifier la hauteur donnée par le DGPS ou de la remplacer en cas de perte du signal DGPS.The radio altimeter (figure 1, block 3) allows, as a first functionality, to check the height given by the DGPS or to replace it in case of loss of the DGPS signal.
Les capteurs pour la mesure de la position de la tête (figure 1, bloc 4) permettent d'adapter l'affichage selon la vue réelle du pilote.The sensors for measuring the position of the head (Figure 1, block 4) allow the display to be adapted according to the pilot's real view.
Tous ces paramètres et ceux ajoutés en option (figure 1, bloc 13) sont connectés au système de calcul du point de vue (figure 1, bloc 9).All these parameters and those added as an option (figure 1, block 13) are connected to the calculation system from the point of view (figure 1, block 9).
L'interface de commande (figure 1, bloc 5) permet de configurer et de contrôler le système embarqué. L'interface de commande permet de configurer et de contrôler différents paramètres d'affichage de vol : planification et affichage de la trajectoire d'un vol en trois dimensions (figure 2), affichage d'un moving map (figure 3), affichage de la vue arrière pour garantir une vue sur 360° (figure 3), affichage de paramètres de vol (figure 3), application ou non de la texture (figure 4) et de la trajectoire imposée par la station au solThe command interface (Figure 1, block 5) is used to configure and control the on-board system. The command interface makes it possible to configure and control various flight display parameters: planning and display of the trajectory of a flight in three dimensions (Figure 2), display of a moving map (Figure 3), display of the rear view to guarantee a 360 ° view (figure 3), display of flight parameters (figure 3), application or not of the texture (figure 4) and the trajectory imposed by the ground station
(figure 2).(figure 2).
L'affichage de contrôle (figure 1, bloc 8) figure comme interface de visualisation pour l'interface de commande.The control display (Figure 1, block 8) is shown as the display interface for the control interface.
Tout le contrôle du système est centralisé à un point (figure 1, bloc 10).All control of the system is centralized at one point (Figure 1, block 10).
Le système contient une base de données comprenant la modélisation du terrain. En fonction de la position de l'hélicoptère, la partie d'affichage (figure 1, bloc 11) charge dynamiquement la partie correspondante à la vue du pilote de la base de données.The system contains a database including terrain modeling. Depending on the position of the helicopter, the display part (Figure 1, block 11) dynamically loads the corresponding part when the pilot sees the database.
La base de données des obstacles sert à afficher des obstacles et points intéressantsThe obstacle database is used to display interesting obstacles and points
(aéroport, hôpitaux, etc.). Ses informations sont mises à jour dynamiquement et peuvent être chargées à partir de la station au sol (figurel, bloc 14).(airport, hospitals, etc.). Its information is updated dynamically and can be loaded from the ground station (figurel, block 14).
L'affichage de la scène virtuelle est réalisé avec un écran virtuel monté sur le casque du pilote (figure 1, bloc 12). Cet écran est transparent et permet ainsi d'avoir l'image réelle et
virtuelle superposées. De cette façon, le pilote peut profiter des fonctionnalités comme la visualisation des obstacles même dans des conditions météorologiques favorables. La communication (figure 1, blocβ) entre les membres du réseau sans fil est basée sur un protocole à accès concourant, détectant les éventuelles collisions (entre messages). Chaque véhicule envoie avec un intervalle donné sa position, sa direction de vol, sa vitesse et son identification, de façon à ce que tous les véhicules connaissent les positions des autres dans leur environnement proche (portée de l'interface radio). Ces informations seront utilisées pour ajouter les véhicules dans la scène.The virtual scene is displayed with a virtual screen mounted on the pilot's helmet (Figure 1, block 12). This screen is transparent and thus allows to have the real image and virtual superimposed. In this way, the pilot can take advantage of features such as viewing obstacles even in favorable weather conditions. Communication (Figure 1, blockβ) between members of the wireless network is based on a concurrent access protocol, detecting possible collisions (between messages). Each vehicle sends its position, flight direction, speed and identification with a given interval, so that all vehicles know the positions of others in their immediate environment (range of the radio interface). This information will be used to add the vehicles to the scene.
La séparation du trafic des aéroports est garantie avec un accès multiple CDMA (code division multiple access). Chaque aéroport possède sont propre code qui est connu par les systèmes embarqués sur les hélicoptères. La station au sol établit une connexion avec le véhicule la première fois qu'elle reçoit les informations concernant sa position. Cette tentative d'établissement est répétée si le véhicule ne quittance pas la requête en utilisant le code CDMA de la station.Separation of airport traffic is guaranteed with multiple CDMA access (division multiple access code). Each airport has its own code which is known by the systems on board helicopters. The ground station establishes a connection with the vehicle the first time it receives information about its position. This establishment attempt is repeated if the vehicle does not complete the request using the station's CDMA code.
Le système de communication avec la station au sol permet l'échange d'informations sur la trajectoire à suivre, les nouveaux obstacles, la modélisation de l'aéroport en question et d'éventuelles informations liées à l'endroit.The communication system with the ground station allows the exchange of information on the trajectory to be followed, new obstacles, modeling of the airport in question and any information related to the location.
Liste des imagesList of images
Figure 1 présente le schéma bloc du système embarqué monté sur l'hélicoptère ou l'avion.Figure 1 shows the block diagram of the on-board system mounted on the helicopter or aircraft.
Figure 2 montre une capture d'écran avec une trajectoire 3D déterminant le chemin à suivre pour atterrir.Figure 2 shows a screenshot with a 3D trajectory determining the path to follow to land.
Figure 3 montre une capture d'écran du moving map et de la vue arrière avec la texture appliquée.Figure 3 shows a screenshot of the moving map and the rear view with the texture applied.
Figure 4 est une capture d'écran montrant un terrain sans texture appliquée avec la visualisation d'un obstacle (câble de transport).Figure 4 is a screenshot showing a terrain without texture applied with the visualization of an obstacle (transport cable).
Figure 5 est une capture d'écran du modèle de quelques immeubles sans texture.
Figure 5 is a screenshot of the model of some buildings without texture.