Les simulateurs 1/13

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2 1.Les fonctions d'un simulateur Simuler consiste à «faire apparaître comme réelle une chose qui ne l'est pas». La simulation a été utilisée dans les domaines les plus divers pour étudier des phénomènes ou des processus physiques, industriels, économiques, ou pour évaluer une stratégie ou une tactique dans le domaine militaire. Dans les lignes qui vont suivre, on se limitera à la présentation de la simulation «didactique» dont l'objectif est de former et d'entraîner les personnels à l'utilisation d'un système complexe (aéronef) au sein d'un certain environnement. 1. Le besoin de la simulation La complexité actuelle de certains systèmes, la diversité des situations dans lesquelles ils peuvent se trouver, leur coût élevé, rend l'utilisation de matériels réels à des fins de formation mal adaptée et extrêmement coûteuse. En effet, en plus de l'aspect strictement économique, l'apprentissage réalisé sur des matériels et dans un environnement réel ne permet pas de créer aisément et à la demande, certains comportements du système (pannes) ou certains états de l'environnement (tempêtes ou brouillard pour un navire ou un avion). Dans le domaine militaire, où la formation au combat s'ajoute à l'entraînement à la conduite, il ne peut être question de gaspiller obus ou missiles, ou de sacrifier ces cibles réelles. Ainsi a-t-on tenté de réaliser des simulateurs recréant, le plus fidèlement possible, un système et son milieu de manière à reproduire au maximum l'entraînement sur matériels réels. Les avantages de la simulation sont les suivants : le coût d'un simulateur est inférieur à la mise en oeuvre du matériel, en particulier, lorsqu'on y intègre les coûts de l'exploitation : consommation d'énergie, mais aussi nécessité de contrôles aériens et de moyens de transmissions pour les avion civils, la disponibilité d'un simulateur est supérieure à celle du matériel lui même, qui doit subir des contraintes liées à son exploitation (périodes de maintenance) ou à son environnement (encombrement des pistes de l'espace aérien, mauvaises conditions météorologiques dans le cas d'aéronefs). Le simulateur est plus efficace dans la mesure où il permet de recréer, à la demande, le comportement du matériel ou un état de l'environnement particulier. La sécurité d'un simulateur est absolue et toutes les situations peuvent être envisagées sans risque d'endommager le matériel. Dans le cas d'avions civils gros porteurs, le rapport coût entre l'heure de simulation et l'heure réelle atteint 1/10. Pour des avions militaires, il atteint 1/ /13

3 2. L'évolution de la simulation L'origine de la simulation est ancienne mas il a fallu attendre 1930 pour voir apparaître des entraîneurs pour, par exemple, la navigation aérienne sans visibilité. Cependant, les premiers véritables simulateurs ne virent le jour qu'en Depuis cette date, l'introduction de l'électronique et de l'informatique a accéléré l'évolution de la simulation dont les principales étapes ont été : 1960 : simulation transistorée : simulation utilisant un calculateur numérique : simulation avec visuel de jour à génération synthétique d'image en temps réel. 3. Les phénomènes simulés. Les sons Les sons constituent les phénomènes les plus faciles à simuler, et dès 1961, les simulateurs comprenaient et une restitution sonore. Les efforts Par exemple, dans le domaine aéronautique, les commandes manipulées par le pilote doivent lui paraître plus ou moins résistantes en fonction des opérations effectuées. La sensation de mouvement Cette sensation est recréée, dans le cas d'accélérations faibles, par les mouvements de la cabine dans laquelle se trouve l'élève, qui peut être montée sur vérins et possède jusqu'à six degrés de liberté (voir Illustration 1). Illustration 1: socle de cabine montée sur vérins possédant six degrés de liberté. Cependant, pour un simulateur, le dispositif de mouvement a pour but de recréer la 3/13

4 naissance des accélérations, afin de permettre au pilote d'élaborer la réaction correspondante, ce qui signifie que le fait essentiel est la simulation de la naissance des accélérations et qu'on peut admettre une limite de ces valeurs, les accélérations à long terme étant simulées par des artifices. Par exemple, dans le cas d'accélération plus forte, on utilise un siège déformable (gravisiège), dont certaines parties sont mises sous pression pour donner à l'élève la sensation d'être plaqué contre le siège. Le visuel Dès les premiers simulateurs, les constructeurs se sont efforcés de reproduire le plus fidèlement possible le matériel (voir Illustration 2) : commandes, cadrans, voyants,... Illustration 2: simulation d'un poste de pilotage. Le problème du visuel devient plus complexe lorsque le système simulé (avion, char) se déplace dans un environnement (piste, terrain) qui doit évoluer en fonction des actions du pilote. Certains simulateurs comprennent une maquette du terrain, dont les dimensions peuvent dépasser une dizaine de mètre, et une caméra de télévision, dont la position et l'orientation par rapport à la maquette varient en fonction du déplacement présumé du système. L'imagerie produit par la caméra est affichée en face de l'opérateur, sur un ou plusieurs écrans. En fonction de la position et de l'orientation du matériel simulé, une image est synthétisée à partir des informations mises en mémoire et visualisée sur des écrans vidéo ou projetée. Il convient d'insister sur la complexité du problème. En effet, il ne s'agit pas, comme pour la réalisation de dessins animés par ordinateur, de générer une image en quelques secondes, voire plusieurs minutes. L'image synthétique doit être créée dans un temps inférieur à 1/25 secondes pour donner une impression de continuité à l'oeil, et doit permettre un rendu de profondeur 3-D sur des écrans circulaires. Ainsi, si on prend comme référence un ordinateur classique réalisant la génération d'une image en un temps normal, les systèmes utilisés pour les visualisations de nuit sont près de 50 fois plus rapides. Pour les visualisations de jour, les systèmes doivent être fois plus rapides. 4/13

5 4. Les différentes applications de la simulation Il convient de distinguer les applications civiles des applications militaires. Dans le domaine civil, un des aspects les plus importants est l'entraînement des pilotes aux décollages et atterrissages, en particulier la nuit, ce qui nécessite la visualisation de la piste et de la signalisation. Les applications militaires comprennent deux aspects : la formation à la conduite à l'aéronef et l'entraînement au combat. Ces applications exigent des visualisations de jour qui ne sont pas limitées à une piste mais qui doivent prendre en compte une zone de terrain étendue, son relief, ses couleurs,... La formation au combat, compte tenu de la variété des situations et des actions qui peuvent se présenter au cours d'un combat, nécessite les simulateurs les plus complexes. Le but de tels simulateurs est d'entraîner les équipes d'une part au pilotage de l'avion, d'autre part aux différentes procédures d'utilisation. Son intérêt se situe à plusieurs niveaux : la simulation permet des entraînements difficiles à reproduire dans la réalité, voire dangereux : arrêt moteur, blocage des commandes de vol,... l'efficacité est augmentée par les fonctions spécifiques suivantes : initialisation (positionnement dans une situation donnée), gel (arrêt de l'avion dans des positions d'attentes) et play-back (reproduction de l'entraînement précédent du pilote), reproduction de conditions atmosphériques variées. Un simulateur se compose des quatre éléments suivants : la cabine, reproduite à l'échelle 1, munie d'un visuel (générateur d'images de synthèses). Cette cabine est montée sur des vérins hydrauliques permettant la reprodution des accélérations et des vibrations, un poste instructeur pouvant être embarqué dans la cabine (pour les gros porteur) ou au sol (pour les avions de combat), un (ou plusieurs) calculateur(s) comprenant les logiciels de simulations, ainsi que les bases de données nécessaires. Les logiciels de simulation se divisent en trois catégories : reproduction du fonctionnement des systèmes avion (moteurs, pilotes automatiques, servitudes, commandes de vol, radio navigation, radio communication, vol), reproduction de l'environnement de l'avion (atmosphère, mouvement de la cabine, sonorisation, balise), gestion du poste instructeur. Tous ces logiciels fonctionnent en temps réel (le temps de cycle de simulation étant de 33 ms ou de 66 ms suivant les systèmes) et sont multiplexés. 5/13

6 2.La certification des simulateurs d'aéronefs Plusieurs niveaux de certification sont proposés aux clients, la certification de base tenant compte des possibilités essentielles du visuel et du rendu de l'environnement. Celle-ci est généralement suivie des certifications phase 1 et phase 2, ce qui permet aux clients d'avoir des pilotes opérationnels avec seulement dix heures de vol réel sur le simulateur. La phase 3, appelée encore «qualification de ligne» donne au pilote un apprentissage complet et le rend opérationnel immédiatement. Certification de base : test fonctionnel du système de vision. Certification phase 1 : caractéristique de piste, limites des enfoncements des atterisseurs, touch down, freinage, système visuel, vérification des scénarios au niveau des aéronefs, surfaces de taxiways, compatibilité avec l'aérodynamique, évolution à l'atterrissage. Certification phase 2 : représentation dynamique des défauts sur les freins et les pneus, sons, moteurs spoilers, volets, trains d'atterrissage, reverse, crash. Certification phase 3 : capacité du visuel à représenter des scènes plus spécifiques telles que la neige sur la piste, la pluie ou les orages, couleurs et directionalité des éclairages de piste, radar météo en corrélation avec celui de l'avion. 6/13

7 3.Les spécifications techniques pour l'établissement d'un dispositif de mouvement de cabine 1. La nécessité d'un mouvement de cabine L'environnement recréé dans le poste de pilotage d'un simulateur de vol doit être le plus proche possible de celui que procure au pilote l'avion lui même. Cet environnement est multiple et se manifeste au niveau des organes de perception du pilote. Les organes de perception sont : les perceptions visuelles, les perceptions auditives, les perceptions tactiles, la perception des accélérations. A partir de ces informations, le pilote agit directement sur les commandes de vol pour obtenir l'évolution désirée suivant le diagramme suivant : Ouïe Vue Instruments Avion Cerveau Membres Commandes de vol Système vestibulaire L'appareil vestibulaire est la partie de l'oreille interne constituée par les canaux semi circulaires, l'utricule (partie supérieure) et le saccule (partie inférieure), appareil de l'équilibre. A partir de ce diagramme, nous pouvons faire les remarques suivantes : les informations principales (informations visuelles et informations d'accélération) sont perçues par le pilote en des temps différents : les accélérations sont perçues directement par le système vestibulaire (ceci à travers sa fonction de transfert et ses seuils introduits plus loin) et conditionnent la rapidité des réactions du pilote, les informations fournies par les instruments représentent des paramètres (vitesse altitude) qui sont obtenus à partir des accélérations avec une ou deux intégration. Ce sont des information différées. 7/13

8 la vision, à partir du poste de pilotage, de repères extérieurs (horizon, position de l'avion par rapport à l'axe de la piste d'atterrissage) fournit les informations (dans le cas du pilotage sans visibilité) les plus précieuses car elle permet de déceler des mouvements dûs à des accélérations inférieures aux seuils de perception du système vestibulaire : elle conditionne la précision à long terme du pilotage, l'absence des informations d'accélération qui constituent dans la boucle de pilotage des termes d'avance de phase par rapport aux indications instrumentales, conduira dans un simulateur de vol aux instruments à une réponse du pilote toujours retardée par rapport à sa réponse dans une situation réelle identique. Dans le cas du simulateur, le diagramme précédent devient : Perturbation Sonorisation Ouïe Visualisation Vue Instruments Avion Cerveau Membres Commandes de vol Système vestibulaire Dispositif de mouvement Nous constatons que l'accélération perçue par le système vestibulaire à partir d'une action sur les commandes de vol est restituée après un certain temps dû au temps de calcul, au codage décodage et au dispositif de mouvement de la cabine. Il importe donc de réduire au minimum ces retards parasites. Notons également que le dispositif de mouvement ne peut restituer toutes les accélérations (long terme, sur de longues distances). 2. Perception des accélération Jacob Meiry a étudié, dans son ouvrage «The vestibular system and human dynamic space orientation» la manière dont le corps humain ressentait les accélérations. La perception des accélérations par le corps humain est réalisée par le système vestibulaire. Ce système se compose de deux ensembles de capteurs dans chaque oreille interne. Chacun de ces ensembles est composé de capteurs d'accélérations angulaires et 8/13

9 linéaires liés entre eux (voir Illustration 3). Illustration 3: système vestibulaire chez l'homme. Nous trouvons : les canaux semi circulaires pour des accélérations angulaires, l'otolithe pour les accélérations linéaires. Ces organes sensibles sont montés sur un plan incliné de 25 à 30 avec l'horizontale. Les canaux semi circulaires sont les détecteurs d'accélération angulaire (voir Illustration 4). Illustration 4: canaux semi circulaires. Ces canaux sont remplis d'un fluide endolymphe et sont reliés en un canal appelé le vestibule. Chaque canal comporte une partie enflée qui s'appelle «ampula» dans laquelle est disposé un petit volet appelé «cupula». Lorsque l'un des canaux est soumis à une accélération angulaire suivant un axe passant par son centre, le mouvement résultat du liquide provoque un déplacement du volet. C'est la valeur de cet angle qui constitue pour le cerveau l'information d'accélération. La 9/13

10 fonction de transfert est = K p 2. L'otolithe est le détecteur d'accélérations linéaires. Il est logé dans l'utricle qui se compose d'une partie inférieure appelée «macula» recevant la partie mobile «otolithe» (voir Illustration 5). Illustration 5: l'otolithe. L'otolithe est reliée au «macula» par des cellules lui permettant ainsi un léger débattement. Lorsqu'une accélération est appliquée à l'otolithe, la force correspondante provoque des tensions dans les cellules nerveuses de liaison donnant ainsi la sensation de l'accélération. L'ensemble est incliné de 25 à 30 par rapport à l'horizontale permettant ainsi de différencier les accélérations verticales et horizontales. Nous retrouvons une fonction de transfert du second ordre entre la perception et K l'accélération appliquée, de la forme H p =. 10p 1. 0,66 p 1 Les seuils de perception sont mesurés suivant des axes d'une base orthonormale (voir Illustration 6). Illustration 6: axes pour les seuils de perception. Il est à remarquer que les valeurs des seuils des paragraphes suivants sont des valeurs moyennes, car il y a une dispersion d'un individu à un autre, et suivant un même sujet selon son degré de fatigue et son environnement (attention attirée par une visualisation par exemple). 10/13

11 Le phénomène de seuil est dû à la déflexion minimum du volet «cupula». Une accélération prolongée inférieur au seuil n'est pas détectée par l'individu. Lorsque la valeur de cette accélération croît, le sujet détecte l'accélération après un certain temps de perception qui est lié à la valeur de l'accélération suivant les courbes donnée sur les Illustrations 7 et 8. Il est à noter cependant que lorsque l'accélération angulaire est appliquée pendant plusieurs dizaines de secondes, le volet du cupula se retrouve à sa position initiale, c'est à dire qu'il y a accoutumance aux accélérations angulaires. Illustration 7: seuil suivant l'axe Z. Illustration 8: seuil suivant l'axe X (roulis). Le seuil de perception pour des accélérations angulaires suivant l'axe Z (voir Illustration 7) varie entre 0,1 et 0,2 rad/s² pour des accélérations prolongées. La courbe de seuil pour les accélérations suivant X (voir Illustration 8) a la même allure générale que pour l 'axe Z. Les seuils suivant Y sont les même que ceux suivant X. Les seuils pour les accélérations linéaires sont analogues aux seuils pour les accélérations angulaires. Les accélérations ne sont détectées qu'après un certain temps d'application variable avec l'amplitude de l'accélération. Il semble cependant que le système est plus sensible aux variations d'accélération qu'à l'accélération elle même. Ce nouveau seuil est de l'ordre de 0,01 à 0,03 g/s. D'autre part, il ne semble pas exister de phénomène d'accoutumance pour les accélération linéaires. 11/13

12 Dans les cas d'accélérations combinées, il semble que l'information d'accélération angulaire surpasse l'information linéaire, ce qui rend délicates certaines manoeuvres de simulation (incliner une cabine suivant l'axe de tangage pour donner une composante de pesanteur qui simulera une accélération longitudinale permanente). 3. Le choix des mouvements Pour déterminer les accélérations que devra restituer le dispositif de mouvement, il est nécessaire d'analyser les accélérations rencontrées sur les différents avions et noter les mouvements et accélérations prédominantes. Notons cependant que les accélérations restituées devront être celles du compartiment de vol et plus particulièrement celles du système vestibulaire pilote et non les accélérations du centre de gravité de l'avion. Dans le cas d'un avion de type BOEING 747, par exemple, le poste de pilotage est très éloigné du centre de gravité de l'avion (voir Illustration 9). Illustration 9: cas d'un avion gros porteur de tye BOEING 747. Les mouvements de l'avion peuvent être décomposés en deux types : les mouvements du centre de gravité, les mouvements angulaires autour du centre de gravité. Les mouvements du centre de gravité sont des translations de direction X, Y et Z. Le pilote les retrouve au niveau du poste de pilotage. En revanche, les mouvements angulaires autour du centre de gravité se traduisent par des combinaisons d'accélérations linéaires et angulaires au niveau du poste de pilotage. A une rotation autour d'un axe quelconque (tangage, roulis, lacet) correspond au poste de pilotage une accélération angulaire, mais aussi une accélération linéaire R 2 et R. Or nous pouvons avoir une accélération angulaire inférieure à son seuil de perception mais qui introduit une accélération linéaire supérieure au seuil correspondant. Par exemple, une accélération angulaire de =0,1rad/s 2 provoque une accélération linéaire, pour R=1m de R =0,1 m/s 2, soit 0,01 g. Cela correspond au seuil de perception suivant les axes X et Y. Si R=20m, R =2 m/s 2. Dans le cas de mouvement de l'avion autour de Z (lacet), le mouvement sera perçu par le 12/13

13 pilote comme une accélération latérale. Si R=3 m (rotation en roulis), alors R =0,3 g. Cette accélération est alors perçue. Nous constatons donc que dans le cas d'un avion de transport, les accélérations au poste de pilotage sont essentiellement des accélérations linéaires. Donc un dispositif de restitution de mouvement pour un tel avion devra effectuer la simulation des mouvements suivant les axes de rotation et de translation. Il faut donc six degrés de liberté. Pour qu'une accélération faible soit perçue, il faut qu'elle soit appliquée plus longtemps qu'une accélération plus élevée (voir les courbes de perception), et nous pouvons en déduire que ce qu'il faut appliquer plus longtemps nécessite un dispositif possédant un débattement important. 4. La restitution des accélérations La cabine doit bouger car elle doit restituer au pilote les mouvements réels, et donc les accélérations réelles. Un avion en vol a des déplacement de plusieurs centaines ou milliers de kilomètres dans un plan horizontal, et de plusieurs kilomètres dans le plan vertical, avec une liberté de rotation complète. Il n'est évidemment pas possible dans une simulation de vol d'assurer une restitution complète de toutes les accélérations, vus les déplacements prohibitifs. Aussi, la solution généralement adoptée consiste à simuler le début de l'accélération pendant un temps suffisant pour qu'elle soit perçue par le pilote (d'où élaboration de réaction adéquate), et l'accélération est ensuite ramenée à zéro (avec une dérivée inférieure au seuil de perception de 0,01 à 0,03 rad/s²), puis inversée pour ramener le compartiment de vol dans la position médiane, prêt à simuler une nouvelle accélération. Ces considérations sont reprises dans l'illustration 10. Illustration 10: restituer des accélérations. 13/13