PEGASE Le simulateur de vol de l ISAE Plateforme d Enseignement et de Recherche

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1 PEGASE Le simulateur de vol de l ISAE Plateforme d Enseignement et de Recherche Description du système Patrice LABEDAN 28 novembre 2013

2 Table des matières 1 Le Simulateur de Vol Description générale Utilisations Formation Recherche Visites Organisation Les visualisations en détails Les VUs typées Airbus Les VUs typées Avions Légers La Visualisation Extérieure Les visualisations diverses Valorisation et diffusion Les VUs Communication avec les VUs Annexes Logiciel Simavion Exemple Bilan exploitation FH Publications Brevets Projets Thèses Post-Doctorants, Stages Compléments Glossaire Développements - Contacts

3 Table des figures 1.1 Organes de commandes principaux Eléments de dialogue avec le Pilote Automatique Exemple des visualisations du cockpit La plateforme mobile La visualisation extérieure Prototype pour les expériences FH Eye-tracker sur pilote expérimenté Zones cerveau concernées Architecture informatique du simulateur Les différentes VUs typées Airbus disponibles sur le simulateur de vol Le Tableau De Bord FlightGear adapté Le panoramique Atlas, GPS Trajectoire en Glide Trajectoire en Loc Caractéristiques générales de l avion Page des coefficients aérodynamiques Formules aérodynamiques Saisie des coefficients aérodynamiques Visualisation des coefficients (courbes)

4 Chapitre 1 Le Simulateur de Vol 1.1 Description générale PEGASE 1, le simulateur de vol du CAS, était à l origine un outil destiné à l enseignement de la Mécanique/Dynamique du Vol. Aux premières versions en tout analogique de la fin des années 1970 (oscilloscopes pour l analyse des réponses avion, traceurs, pas de visulalisation 3D, pas de mouvement,...), ont succédées des versions informatiques, qui n ont cessé d évoluer sous la direction de Christian Colongo, chef du CAS jusqu en Dans sa version actuelle, le simulateur est articulé autour d un noyau de simulation générique, capable de simuler n importe quel avion, du moment que le dossier aérodynamique de l avion en question est connu dans la base de données des avions 3. Un cockpit 4 places est équipé des organes de commande principaux : minimanches, palonniers, manette des gaz, manette bec volets, volants de trim (figure 1.1 sur la page suivante). Il possède aussi deux interfaces matérielles qui permettent de dialoguer avec le pilote automatique : le FCU 4 et le MCDU 5 (figure 1.2 sur la page suivante). Quatre visualisations complètent l équipement cockpit : 3 simulations d écrans Airbus (place gauche), et un écran Tableau de Bord avion léger (place droite) (figure 1.3 à la page 5). Ce cockpit est placé sur une plateforme mobile 3 axes, destinée à restituer les mouvements de la cabine durant le vol 6 (figure 1.4 à la page 5). Le monde 3D extérieur est un système de visualisation à 180 degrés, réparti sur 8 écrans plats. Il a été mis en place en (figure 1.5 à la page 6). Pour 1. PEGASE : Plateform for Experiments on Generic Aircraft Simulation Environment 2. Gestion des développements par Patrice Labedan depuis Equipe développement renforcée depuis 2008 avec Guillaume Garrouste 3. Par dossier aérodynamique, on entend l ensemble des coefficients aérodynamiques et les caractéristiques générales de l avion (géométrie, train d atterrissage, rayons de giration...). Le logiciel Simavion, développé en interne, permet de rentrer un dossier aérodynamique dans la base de données des avions (voir "Annexes") 4. Flight Control Unit 5. Multifunction Control-Display Unit 6. Ce mouvement fait actuellement l objet d un programme de rénovation - Jerome Dartigues, Patrice Labedan 7. Étude, conception et réalisation par Dominique Bernard, CAS 3

5 Figure 1.1 Organes de commandes principaux Figure 1.2 Eléments de dialogue avec le Pilote Automatique 4

6 Figure 1.3 Exemple des visualisations du cockpit Figure 1.4 La plateforme mobile 5

7 Figure 1.5 La visualisation extérieure la partie informatique, le système est basé sur le projet OpenSource FlightGear, en multi-écrans 8. Dans le domaine de l Enseignement, en plus de la Mécanique du Vol, ce simulateur permet aussi d aborder des notions de Conduite du Vol et de Navigation (voir section Utilisations). Depuis quelques années, le simulateur est aussi utilisé dans le domaine de la Recherche, plus précisément pour les FH (Facteurs Humains). Prenons comme exemple les études sur la persévération des pilotes : des prototypes d interfaces sont développées pour aider le pilote à ne plus focaliser sur certains paramètres lors de phases de vol "délicates". Ces prototypes sont ensuite testés sur des pilotes 9 (figures 1.6 sur la page suivante, 1.7 sur la page suivante et 1.8 à la page 8). Le simulateur développé au CAS est donc une véritable plateforme d Enseignement et de Recherche, en perpétuelle évolution. 8. Adaptation par Guillaume Garrouste et Patrice Labedan 9. Exemple de publications en annexe, "Chapître 2 - Annexes - Bilan Exploitation FH" 6

8 Figure 1.6 Prototype pour les expériences FH Figure 1.7 Eye-tracker sur pilote expérimenté 7

9 Figure 1.8 Zones cerveau concernées 1.2 Utilisations Le simulateur est utilisé dans le domaine large de la Formation (enseignement et formation continue), dans le domaine de la Recherche, mais aussi lors de visites effectuées par une population extérieure à l ISAE Formation Enseignement à l ISAE Travaux Pratiques 1ère année : Séance "Initiation à la mécanique du vol" pour la promotion entière des élèves de 1ère année (groupes de 12 élèves par demi-journée) TREX 1A : TREX intitulé "Insertion d un pilote automatique sur un Airbus A300 " - Encadrement Patrice Labedan TREX 2A : TREX intitulé "Insertion des lois de commandes de vol sur un Airbus A300 " - Encadrement Patrice Labedan Projets 1A Projets 2A PFE : Projets de fin d études Stagiaires (Erasmus, Informatique...) Formation Continue pour l Eurosae 10 Stage "Initiation à la Mécanique du vol" 11 Stage "Conduite du Vol" 12 Stage "Navigation de l Avion" Eurosae Formation Continue - http :// 11. Eurosae - Stage de formation continue - Techniques aéronautiques - AED008 - "Initiation à la Mécanique du vol, Des bases théoriques à l application" - http :// 12. Eurosae - Stage de formation continue - Applications Aéronautiques - AED010 - "Conduite du vol" - http :// 13. Eurosae - Stage de formation continue - Navigation, positionnement, localisation - AED043 - "La navigation de l avion, Situation actuelle et évolutions" - http :// 8

10 Figure 1.9 Architecture informatique du simulateur Recherche Dans le domaine de la recherche, il est utilisé par les chercheurs en Facteurs Humains pour mener des expériences avec des pilotes, et aboutir le plus souvent à des publications, des dépôts de brevets, ou des contrats Visites Il est bien entendu aussi utilisé pour des visites de laboratoires (VIP, OSE 15,...). 1.3 Organisation Le simulateur de vol de l ISAE est géré par un ensemble d ordinateurs connectés en réseau local (figure 1.9). Ceux-ci sont répartis en 4 catégories : Noyau de simulation Visualisations Supervision Divers 14. Voir "Chapître 2 - Annexes - Bilan Exploitation FH" 15. OSE l ISAE - Projet d Ouverture Sociale de l ISAE - http :// 9

11 Le Noyau De Simulation, l élément principal, réalise l acquisition des commandes pilotes (mini-manche, FCU, palonnier...), met à jour les paramètres de vol, les envoi à chaque visualisation, puis actionne le mouvement de la cabine. La partie Visualisations est composée d éléments graphiques - les Unités Visuelles (ou VUs, pour Visual Units). Elles permettent d afficher des paramètres de vol, le monde 3D, etc... La partie Supervision comprend 2 ordinateurs : un premier destiné à gérer les différentes versions du simulateur, le deuxième à superviser réellement le vol lui-même (position initiale, vitesse, altitude...). Dans la suite sera détaillée la partie Visualisations, mais pas les parties Noyau de simulation ni Supervision, qui feront l objet de documentations spécifiques. 1.4 Les visualisations en détails Les visualisations peuvent être classées en plusieurs catégories : les VUs typées Airbus, les VUs typées Avions Légers, la Visualisation Extérieure (ou le monde 3D), les visualisations diverses (ILS, Cartes,...) Les VUs typées Airbus Ces VUs sont des visualisations qui existent sur des avions de type Airbus (figure 1.10 sur la page suivante). Sur le simulateur de vol, elles ont été développées dans le but d améliorer le représentativité du cockpit 16. Voici la liste : Les EFIS (Electronic Flight Instrument System) : le PFD (Primary Flight Display) le ND (Navigation Display) Les ECAM (Electronic Centralized Aircraft Monitoring) : l EWD N1 (Engine Warning Display version N1) l EWD EPR (Engine Warning Display version EPR) le FCTL (Flight ConTroL) Les VUs typées Avions Légers Le TDB (Tableau De Bord) concentre sur un seul écran les cadrans classiques que l on peut retrouver sur les avions légers (anémomètre, altimètre,...). 16. Historiquement, le simulateur de SUPAERO était utilisé pour l enseignement, plus exactement en formation Mécanique du Vol ou Dynamique du Vol, et non pour la formation des pilotes. Les fonctionnalités les plus simples des EFIS ont été reprises, et ce ne sont donc pas des visualisations certifiées aéronautiques ou possédant toutes les fonctionnalités réelles que l on peut retrouver sur les vrais avions. 10

12 Figure 1.10 Les différentes VUs typées Airbus disponibles sur le simulateur de vol D abord développé en C/OpenGL, il a ensuite été porté en Java2D (figure 1.11 sur la page suivante) La Visualisation Extérieure La Visualisation Extérieure est à l origine une version du simulateur Open- Source FlightGear, dont on utilise uniquement la partie graphique. Cette version de base a été adaptée aux besoins du CAS (HUD, ajouts de modèles 3D,...). Ceci est fonctionnel sur le simulateur de vol du CAS depuis 2008 (8 ordinateurs pour un affichage sur 8 écrans plats en panoramique à 180 degrés) (figure 1.12 à la page 13 et figure 1.13 à la page 13) Les visualisations diverses Plusieurs visualisations périphériques ont été rajoutées ou sont en cours de développement : ILS, Atlas,... (figures 1.14 à la page 14, 1.15 à la page 14 et 1.16 à la page 15). Elles peuvent être soit embarquées dans le cockpit (sur écran tactile), soit au niveau de la baie de commande à l extérieur du simulateur (Cartes, aide à l atterrissage,...). 11

13 Figure 1.11 Le Tableau De Bord 1.5 Valorisation et diffusion Les VUs Les visualisations citées précédemment sont développées spécifiquement pour le simulateur. Cependant, la plupart ont été rendues paramétrables pour une réutilisation dans d autres projets sans lien avec le simulateur de l ISAE. Ainsi, les VUs comme le PFD, ND, EWD-N1, EWD-EPR, FCTL et TDB, peuvent être réutilisées très facilement Communication avec les VUs Pour faciliter l utilisation de toutes les visualisations cockpit (PFD, ND, EWD, FCTL, TDB, ILS), la librairie ApiVusCockpit.dll a été développée pour un codage en langage C. Elle propose plusieurs services afin de développer son propre client capable de communiquer avec chacune de ces visualisations. Un exemple est fourni pour chaque VU Se reporter à la documentation spécifique à chaque VU 18. "ApiVUsCockpit, Visual Unit Cockpit, Librairie de Communication - Documentation" - Patrice Labedan 12

14 Figure 1.12 FlightGear adapté Figure 1.13 Le panoramique 13

15 Figure 1.14 Atlas, GPS Figure 1.15 Trajectoire en Glide 14

16 Figure 1.16 Trajectoire en Loc 15

17 Chapitre 2 Annexes 2.1 Logiciel Simavion Ce logiciel a été développé au CAS/ISAE (C.Colongo, P.Labedan), en Visual Basic.NET. Il permet de créer le "dossier" aérodynamique d un avion qui sera compatible avec le simulateur de vol PEGASE. La création de ce dossier aérodynamique se fait en renseignant les caractéristiques générales de l avion (figure 2.1 sur la page suivante), ainsi que la totalité des coefficients aérodynamiques (figure 2.2 sur la page suivante) qui correspondent aux formules aérodynamiques (figure 2.3 à la page 18) Exemple Czα1 Pour l Airbus A300, ce coefficient est fonction de l incidence (Alpha), et de la configuration des Slats/Flaps. Les données sont rentrées sous forme textuelle (figure 2.4 à la page 18), et visualisées sous forme de courbe (figure 2.5 à la page 18). 16

18 Figure 2.1 Caractéristiques générales de l avion Figure 2.2 Page des coefficients aérodynamiques 17

19 Figure 2.3 Formules aérodynamiques Figure 2.4 Saisie des coefficients aérodynamiques Figure 2.5 Visualisation des coefficients (courbes) 18

20 2.2 Bilan exploitation FH La Recherche en Facteurs Humains a permis une grande quantité de travaux très variés : publications, brevets, contrats, Projets de Fin d Etudes, stages, Projets d Initiation à la Recherche Publications 1. Dehais, F., Causse, M., Vachon, F., Regis, N., Menant, E., Tremblay, S. Failure to Detect Critical Auditory Alerts in the Cockpit : Evidence for Inattentional Deafness. Human Factors. In Press 2. Dehais, F., Causse, M., Régis, N., Menant, E., Labedan, P., Vachon, F., & Tremblay, S. (2012). Missing Critical Auditory Alarms in Aeronautics : Evidence for Inattentional Deafness?. In Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting (Vol. 56, No. 1, pp ). SAGE Publications. 3. Causse, M., Phan, J., Ségonzac, T., & Dehais, F. (2012). Mirror Neuron Based Alerts for Control Flight Into Terrain Avoidance. Advances in Cognitive Engineering and Neuroergonomics, in AHFE,16, 157. San Francisco, CA, USA 4. Dehais, F., Goudou, A., Labedan, P., Duret, V., Colongo, C., Pastor, J. (2006) Neuropsychological aspects of autopilot supervision,, First European Workshop in Neuroergonomics (NPsyErg06), Toulouse,France. 5. Dehais, F, Goudou, A., Lesire, C., Tessier, C. (2005) Towards an anticipatory agent to help pilots, Asociation for the Advancement of Artificial Intelligence (AAAI) Fall Symposium "From Reactive to Anticipatory Cognitive Embodied Systems", Arlington, Virginia, USA Brevets 1. Dehais, F., Christophe, L., Merle, J.M., Pellerin, P. (2011) Method and device for detecting lack of reaction from the crew of an aircraft to an alarm related to a path. Patent Airbus operation (SAS) 2. Dehais, F., Lesire, C., Tessier, C., Christophe, L. (2010) Method and device for detecting piloting conflicts between the crew and the autopilot of an aircraft. Patent Airbus opération (SAS), PCT/FR2009/ Projets 1. GHOST (AIRBUS ) : Utilisation du simulateur pour tester des solutions IHM avec les pilotes Airbus 2. MAIA (DGA MRIS ) : Utilisation du simulateur pour réaliser des expérimentations avec des capteurs phyisologiques 3. D3COS (ARTEMIS ) : Utilisation du simulateur pour tester des techniques de mesures psycho-physiologiques 19

21 2.2.4 Thèses 1. Sergio Pizziol : Modélisation des conflits dans les interactions pilote/pilote automatique 2. Gautier Durantin : Mesure en spectroscopie en proche infra-rouge des états attentionnels 3. Nicolas Regis : Modélisation d un vecteur d état de l oeil 4. Vsevolod Peysakhovich : Estimation de l état attentionnel du pilote à l aide de moyens de mesures oculaires et cérébrales 5. Louise Giraudet : Etude de la surdité inattentionnelle en EEG Post-Doctorants, Stages Post-Doctorants : Thibaut Gateau, Sébastien Scannella 20

22 Chapitre 3 Compléments 3.1 Glossaire CAS : Centre Aéronautique et Spatial CDVE : Commandes De Vol Electriques ECAM : Electronic Centralized Aircraft Monitoring EFIS : Electronic Flight Instrument System EWD : Engine Warning Display FCTL : Flight ConTroL FCU : Flight Control Unit FH : Facteurs Humains FMA : Flight Mode Annunciations HUD : Head Up Display ILS : Instrument Landing System ISAE : Institut Supérieur de l Aéronautique et de l Espace MCDU : Multifunction Control-Display Unit ND : Navigation Display PEGASE : Platform for Experiments on Generic Aircraft Simulation Environment PFD : Primary Flight Display TDB : Tableau De Bord VU : Visual Unit 3.2 Développements - Contacts Tous les développements logiciels ont été réalisés au CAS : Patrice LABEDAN : Patrice.Labedan@isae.fr Guillaume GARROUSTE : Guillaume.Garrouste@isae.fr 21