EPREUVE COMMUNE DE TIPE 2009 La simulation de vol à base mobile 1 Introduction On peut dénir un simulateur de vol comme un système dans lequel un pilote réel est aux 5 commandes d'un avion virtuel dont le comportement est obtenu par simulation. Dans sa ver- sion professionnelle, il se présente généralement sous la forme d'une cabine de pilotage, mobile ou non, actionnée par logiciel. Il existe aussi des simulateurs de vol en jeu vidéo, pour lesquels du matériel informatique grand public sut, mais nous nous intéresserons davantage aux simulateurs dits à base mobile, c'est à dire animés de mouvements suivant plusieurs degrés de 10 liberté. Ces simulateurs de vol sont largement utilisés par les compagnies aériennes, l'industrie aéronautique militaire et civile pour la formation continue des pilotes (nouveau type d'avions ou d'équipements, situations extrêmes, opérations militaires) et développer de nouveaux avions. Il permet notamment aux pilotes des avions de ligne de s'entraîner et de se former aux situations d'urgence. 15 1.1 Des pionniers à aujourd'hui Compte-tenu de la diculté du pilotage, on a eu recours assez rapidement à des entraîneurs qui étaient des simulateurs très simpliés où l'apprenti pilote répétait sur des commandes ctives les man uvres de base. Dès les débuts de l'aviation on a tenté de restituer les eets aérodynamiques des commandes sur un avion simplié xé au sol et placé dans le lit du vent. Un 20 des premiers entraîneurs connu fut le tonneau Antoinette construit en France en plusieurs exemplaires par la société de Léon Levavasseur dès 1910 (gure 1) : il comportait un poste de pilotage monté sur rotule et actionné manuellement, il permettait aux apprentis pilotes de répéter les manoeuvres de base sur des commandes ctives tout en subissant des eets simulés tels que lacet, roulis et tangage. 25 Le premier vrai simulateur de vol fut vraisemblablement le système mis au point par Edwin Link en 1929, un fabriquant d'orgues aux Etats-Unis. Il comportait une cabine posée sur un mouvement électro-pneumatique dont les positions répondaient aux commandes du pilote. Un 1
Figure 1 Le tonneau Antoinette (visible au musée de l'air et de l'espace, Le Bourget) chariot équipé d'un stylet reproduisait sur table traçante le trajet virtuel de l'avion et l'instructeur pouvait donner des ordres à l'élève à l'aide d'un micro. Ce simulateur, très utilisé lors de la 30 Seconde Guerre mondiale essentiellement pour le vol aux instruments, connut diverses évolutions jusque dans les années 1960. La mise en uvre de modèles de vol sur calculateurs, analogiques d'abord dès les années 1950 puis numériques, a donné aux simulateurs la possibilité de représenter plus dèlement le comportement d'un aéronef en vol. 35 Le grand projet Whirlwind du Massachusetts Institute of Technology en 1946 fut de concevoir et mettre au point un calculateur numérique en temps réel nécessaire à un simulateur de vol militaire. Outre la puissance de calcul souvent insusante, la restitution visuelle des premiers simulateurs, limitée aux phases de décollage et d'atterrissage, n'était rendue que par le déplacement 40 d'une caméra vidéo survolant mécaniquement une maquette réelle de terrain de grande dimen- sion. Ce n'est que plus tard, au milieu des années 1970, que commencèrent à apparaître des images de synthèse encore très schématiques mais qui permettaient un rendu ponctuel très précis des feux de piste, de nuit. Au début des années 1980, la représentation en trois dimensions de surfaces avec ombrage avait une allure plus réaliste mais il a fallu attendre les années 1990 pour 45 voir dans les simulateurs des images de synthèse 3D texturées. 50 1.2 Concepts de simulateurs à base mobile En ce qui concerne le mouvement cabine, la conguration standard aujourd'hui utilisée est la plate-forme dite de Stewart, constituée d'un socle xe relié à une plate-forme dont la mobilité est assurée par six vérins hydrauliques deux à deux reliés alternativement sur le socle et la plateforme par des liaisons rotulées (gure 3). Cette conguration permet des déplacements selon les 2
Axe Déplacement Vitesse Accélération Vertical ±10m 5m/s 8m/s 2 Latéral ±6m 2, 6m/s 5, 3m/s 2 Longitudinal ±1, 3m 1, 3m/s 3, 3m/s 2 Roulis ±18 o 40 o /s 115 o /s 2 Tanguage ±18 o 40 o /s 115 o /s Lacet ±24 o 46 o /s 115 o /s Table 1 Performances en déplacement du simulateur VMS de Ames, USA trois axes de translation et les trois axes de rotation. Ajoutons que la conguration Stewart est légère, rigide, symétrique, et isotrope. Il est à noter cependant que ses déplacements sont limités (débatement des vérins), que cinématiquement, il existe des points singuliers contraignants, et qu'il existe une grande inuence limitative d'un axe sur les autres (20 d'assiette limite fortement, 55 voire complètement les capacités de mouvement selon les autres axes). Malgré ces quelques défauts, la plate-forme de Stewart reste la plus répandue. A titre d'exemple, on peut citer le simulateur russe PSPK-102, mis en service en 1982 pour le développement de la navette Bourane, orant des déplacements importants (±1,2m en vertical, ±1,5m en latéral et longitudinal, et ±30, 40 et 60 en roulis, tangage et lacet respectivement). Le simulateur du SIMONA (gure 2) 60 est, quant à lui, particulièrement performant en terme de bande passante puisqu'il peut reproduire des mouvements jusqu'à 15Hz de 0, 02g à 1, 5g en mouvement vertical. Plus exotique, le "Vertical Motion Simulator" (VMS) de la NASA propose des performances tout à fait impressionnantes comparées à une plate-forme de Stewart classique (tableau 1). 2 Composants d'un simulateur de vol 65 Les deux principaux composants d'un simulateur de vol sont le c ur logiciel d'une part, et un ensemble matériel nécessaire au pilote pour piloter le simulateur et percevoir les réactions de l'avion virtuel. 2.1 Partie logicielle Par ensemble logiciel, on entend le modèle de vol de l'avion simulé bien entendu, mais aussi les 70 modèles de comportement des équipements (les capteurs et acheurs ont leur propre dynamique), 3
Figure 2 Le simulateur SIMONA de l'université de Delft (Pas-Bas) les modèles de l'environnement (typiquement l'atmosphère et son évolution), les bases de données nécessaires aussi bien en vol à vue qu'en vol aux instruments, les modèles nécessaires aux scénarii comme le trac, les échanges radio, les incidents, etc. Les solutions logicielles sont maintenant nombreuses sur le marché : l'expansion des jeux 75 vidéo contribue largement au développement de simulateurs de plus en plus réalistes. Lorsque ces simulateurs sont ouverts pour permettre d'ajouter ses propres créations, beaucoup d'utilisateurs deviennent créateur d'avion en réalisant, à l'aide de logiciels de modélisation 3D, des modèles d'avions militaires ou d'avions de ligne. D'autres créent des versions personnelles et virtuelles basées sur de vrais avions de ligne, ou même des décorations virtuelles de compagnies ctives 80 comme Virtual Delta, Mexicana de Aviacion Virtual, Virtual Aeroot, Viasa Virtual, et d'autres, que l'on peut trouver sur Internet. A noter qu'en plus du pilotage virtuel, beaucoup d'utilisateurs découvrent le trac aérien en ligne : lorsque les pilotes et des contrôleurs du trac aérien virtuels jouent ensemble en temps réel pour simuler un véritable trac. 85 2.2 Partie matérielle L'ensemble matériel comporte les dispositifs d'entrée des commandes avec éventuellement des retours d'eort, les dispositifs de visualisation des instruments et de l'environnement extérieur, les dispositifs de restitution sonore, les dispositifs de restitution de mouvement (ou proprioceptifs). Que le simulateur soit professionnel ou non, on retrouvera toujours plus ou moins cette structure. 90 On dira que le simulateur est à base mobile si le dispositif de restitution des mouvements existe, 4
sinon on parlera de simulateur à base xe. Le système de visualisation est constitué d'un générateur d'images de synthèse, qui est un calculateur spécialisé, très rapide. Il possède en mémoire une base de données (le paysage) et il calcule l'image qui serait vue par le pilote compte tenu de la position géographique du mobile, 95 de son orientation, de son altitude, de l'heure, des conditions atmosphériques, etc. Ce calcul s'eectue plusieurs dizaines de fois par seconde (en général 60 fois). L'image produite par le calculateur doit être présentée selon un champ visuel conforme à celui existant dans la réalité. Dans un avion de ligne, par exemple, le champ visuel est limité par les fenêtres de la cabine de pilotage, soit environ 45 et 220 dans les directions respectivement verticales et horizontales. 100 Les systèmes de visualisation simulée peuvent tout à fait couvrir ce champ visuel. De plus, les images sont projetées à travers un système optique qui les renvoie à l'inni pour que les yeux de l'observateur puissent s'accommoder à l'inni, comme dans la réalité. Les bruits sont, eux aussi, synthétisés et des enceintes acoustiques sont placées aux endroits adéquats autour de la cabine pour être perçus là où ils le seraient en réalité. 105 Pour piloter, le pilote doit percevoir les mouvements de l'avion dans l'espace : cette perception se fait par l'observation visuelle à l'extérieur du cockpit (ligne d'horizon, pente, dimension des objets au sol), à l'intérieur par la lecture des instruments de vol mais aussi grâce aux sensations des capteurs humains comme ceux de l'oreille interne qui fonctionnent comme des accéléromètres. Le simulateur idéal doit donc restituer ces deux aspects ; la solution actuelle la plus utilisée est 110 l'hexapode ou plateforme de Stewart (gure 3). Figure 3 Plateforme de Stewart (6 degrés de liberté) Les ordres envoyés aux vérins ne cherchent pas à reproduire l'attitude du mobile simulé, mais à recréer les accélérations ressenties à bord. Ces accélérations sont dues aussi bien aux actions 5
de l'équipage sur les commandes de vol qu'à la turbulence atmosphérique, aux vibrations des moteurs et à celles résultantes de l'action des freins, etc. 115 3 Utilité de la simulation à base mobile? Même si la question n'a pas de réponse absolue, on peut faire un constat simple pour commencer : la perception du mouvement est plus rapide par les organes dédiés que par une dérivation mentale, certes inconsciente, des informations visuelles. L'avance procurée par les organes inertiels de perception du mouvement est estimée à quelques 150ms. De plus cette perception est 120 active quelle que soit la charge de travail du pilote, alors que sur base xe, le mouvement n'est pas perceptible lorsque l'attention de celui-ci est attirée par les instruments. Cette perception directe des accélérations réduit la constante de temps absolue du pilote, augmente la stabilité du système pilote/avion et permet au pilote d'adapter sa stratégie de pilotage (augmentation du gain pilote). 125 A titre d'exemple, on peut considérer la simulation du modèle de comportement de l'avion dit souple (typiquement A340-500/600), notamment le phénomène de couplage pilote/structure par simulation pilotée. Ce phénomène génère des oscillations relativement hautes fréquences (3Hz) et d'amplitudes faibles mais susantes pour causer des accélérations latérales et verticales pénibles d'une part, et alimentant l'oscillation par action involontaire du pilote sur le manche, d'autre 130 part. Sans mouvement cabine, deux facteurs manquent à l'appel : le mouvement oscillatoire n'est pas perçu en utilisant uniquement le visuel, les accélérations étant de trop faibles amplitudes et surtout trop hautes fréquences. l'entretien du phénomène, s'il doit avoir lieu, est impossible car le bras du pilote n'est pas soumis aux accélérations. 135 Un autre argument est bien sur l'aspect économique : pour former un pilote de ligne sur un type d'avion, il fallait 40 h de vol dans les années soixante. Sur les avions modernes, pourtant bien plus complexes, l'entraînement se fait pratiquement intégralement sur simulateur. Les compagnies aériennes importantes ont toutes leurs simulateurs. On compte en moyenne un simulateur pour 25 140 avions, sachant que chaque avion est utilisé par plusieurs équipages (de 5 à 10 équipages selon le type d'avion), et que chaque équipage doit eectuer un certain nombre d'heures d'entraînement par an (20h en moyenne). 6
Sensations n x n y n z p q r Vestibulaire (oreille interne) + + + + + + Kinesthétique : torse + + + - ± - Kinesthétique : autres parties du corps + + + - - - Tactile : pression + - + - - - Tactile : déplacement + + - - - - Table 2 Sensibilité aux mouvements (+ présence, - absence, ± négligeable) Dans le domaine plus spécique du développement des commandes de vol, de pilotage et de 145 guidage, la simulation à base mobile présente un intérêt certain lors des phases de validation où le réalisme accru devient primordial. On peut citer par exemple le développement et la validation des lois de pilotage près du sol (décollage et atterrissage), et également l'évaluation de la charge de travail du pilote lors de pannes du système de commandes de vol (point critique en phase de certication). 150 Cependant, l'expérience des constructeurs, AIRBUS notamment, a jusque là démontré qu'il était possible de se passer du mouvement cabine pour cette activité (développement/validation des commandes de vol), sachant que celui-ci induit des surcoûts importants d'installation, de mise en oeuvre et de maintenance, et que la pertinence des essais sur base mobile dépend fortement du "réglage" des algorithmes de pilotage du mouvement. Il est reconnu qu'un mauvais mouvement 155 cabine conduit à une délité plus mauvaise que son absence... 4 Perception du mouvement Quelques études récentes ont tenté d'établir des seuils de perception des accélérations en dessous desquels un opérateur humain ne sentirait pas le mouvement. Grâce à des études expérimentales sur simulateur et en vol, on a pu compiler des chires intéressants sur les seuils de 160 perception des accélérations selon divers axes. Le tableau 2 résume les fonctions de perception des diérents organes sensoriels vis-à-vis des accélérations linéaires suivant les 3 axes (n x en longitudinal, n y en transversal, n z en normal) et des vitesses angulaires (p en roulis, q en tangage, r en lacet). Au niveau des accélérations linéaires, presque tous les récepteurs entrent en jeux. Les seuils 7
165 absolus de perception sont pratiquement indépendants de la fréquence lorsque celle-ci dépasse environ 0, 5Hz. L'ordre de grandeur de ces seuils est de 0, 01g en vertical et de 0, 004g en latéral et longitudinal. On peut également s'intéresser à la sensibilité aux changements d'accélération (accélérations diérentielles). On montre alors que les pilotes sont beaucoup plus sensibles aux accélérations 170 diérentielles linéaires en latéral (c'est d'ailleurs un axe particulièrement désagréable et qui induit plus que les autres d'éventuelles actions involontaires sur le manche). D'une façon générale, la sensibilité est plus grande aux accélérations diérentielles qu'aux accélérations "continues", et plus de 50% de l'eet informatif du mouvement cabine réside dans la restitution des événements et des vibrations. 175 Les accélérations angulaires sont, quant à elles, principalement perçues par le système ves- tibulaire. C'est d'ailleurs en terme de vitesse angulaire qu'il convient de mesurer les seuils de perception puisque des études ont montré que le système vestibulaire agit comme un accéléromètre couplé à un intégrateur pour des fréquences comprises entre 0, 03Hz et 3Hz. Donc au niveau des seuils de sensibilité, les résultats sont les suivants et à peu près constants à partir de 180 0, 3Hz : p 0 est à 0, 4 /s pour le roulis q 0 est à 0, 5 /s en tangage r 0 varie de 0, 8 à 0, 9 /s en lacet Ces résultats ont été complétés par des essais en vol, montrant que les environnements vibratoire 185 (0, 02 à 0, 05g de 0 à 10Hz) et sonore jouent un rôle très important sur les seuils de perception des accélérations, et ce principalement pour les accélérations linéaires (le tableau 2 rappelle que les vitesses angulaires sont principalement perçues par le système vestibulaire). 5 Le pilotage du mouvement Le schéma-bloc représentant l'asservissement complet du simulateur est donné sur la gure 190 4. On y trouve : le pilote, qui agit sur les commandes de vol (manche, palonnier, gaz, etc), la dynamique de l'avion, qui est simulé via des équations (plus ou moins simples) de la mécanique du vol, la génération de mouvement, qui transformera la simulation informatique de l'avion en 8
195 ordres à envoyer aux actionneurs du mécanisme, le mécanisme, qui permettra au pilote de ressentir les eets physiques du vol. La génération du mouvement est le point clé de la simulation à base mobile dans la mesure où elle établit le lien entre le monde simulé et le monde physique. Le détail de cette étape est donné sur la gure 5, et ses spécicités sont détaillés ci-après. Figure 4 Schéma-bloc pilote + avion simulé Figure 5 Structure du processus de génération de mouvements 200 5.1 Les ltres Washout Malgré les moyens, parfois très importants, mis en oeuvre pour tenter de restituer le mouvement, les bases mobiles, quelles qu'elles soient, n'en restent pas moins limitées mécaniquement. Il est évident qu'il est impossible de restituer toutes les accélérations : 1g pendant 1s nécessite 4, 9m de déplacement. Si c'est une accélération concevable sur l'axe vertical du VMS d'ames, 205 c'est tout à fait inaccessible pour une conguration de type Stewart. Cette même accélération pendant 0, 1s demande un déplacement de 4, 9cm, tout à fait simulable cette fois sur un système standard. 9
An de donner l'illusion au pilote qu'ils se trouve dans un véritable avion, le pilotage des mouvements cabine fait appel à des algorithmes complexes et très particuliers dénommés ltres 210 "Washout" : il s'agit de contraindre la plate-forme mobile à suivre les ordres d'accélération fournis par la simulation sans atteindre les limites mécaniques de la conguration et à ramener la plate-forme dans une position "neutre" sans que le pilote s'en aperçoive. L'idée est donc de ltrer les accélérations basses fréquences qui par dénition sont plus longues dans le temps et susceptibles de mettre à mal l'espace utilisable de la plate-forme. Concrètement, 215 on utilisera des ltres de type passe haut, d'ordre 1 ou 2 et de fonctions de transfert : G(p) = K p ou G(p) = K p + ω 0 p 2 + 2ξω 0 + ω0 2 Les ltres washout sont en fait un système de restitution du mouvement qui permet de donner l'illusion d'un mouvement continu alors que le mouvement réel de la cabine est limité. Un bon exemple de ce phénomène est la mise en virage de la cabine : la simulation d'un virage de 90 ne va pas se traduire par une rotation de la cabine de 90 (mécaniquement impossible). Dans ce cas p 2 220 là, le système de restitution simule la première partie de la manoeuvre, c'est à dire le tout début du virage. Ensuite, la cabine revient lentement à sa position initiale (alors que visuellement le pilote continue de virer) de telle façon que le pilote ne se rende pas compte qu'il est en fait ramené à la position neutre. L'information sur l'ancienne position a été eacée (washed out). Ensuite, lorsque le pilote commandera un nouveau virage, la cabine repartira d'une position neutre lui 225 laissant ainsi un maximum d'amplitude suivant les diérents axes de liberté. En résumé, les ltres washout imposent un retour de la cabine en position de référence en anticipation du prochain mouvement qui sera demandé, ceci sans que le pilote ne ressente cette manoeuvre de retour (et donc ne s'en aperçoive). Ce ltrage s'eectue sur tous les axes (3 axes de translations, 3 axes de rotation). Toujours dans un souci de restriction des amplitudes des 230 mouvements, un gain est appliqué avant le ltrage. Comme il a été précisé précédemment, le pilote est plus sensible aux changements dans l'amplitude de l'accélération qu'à l'amplitude elle même. Alors, même diminuée, la restitution des accélérations restera correcte. On retrouve ces ltres washout dans la structure complète du processus de génération de mouvements présentée sur la gure 5. 10
235 5.2 La coordination d'inclinaison Il n'en reste pas moins que l'avion n'est pas seulement soumis à des accélérations hautes fréquences de faible amplitude. C'est la raison pour laquelle des artices de simulation sont introduits pour simuler les accélérations linéaires latérales et longitudinales. Les restitutions présentées sur la gure 6 montrent qu'au début de l'accélération, le mouvement est, pendant un 240 cours instant, très bien rendu. Au bout d'un certain temps τ, la restitution est plus mauvaise, voire fausse. Pour une accélération linéaire continue, l'artice consiste alors à introduire une inclinaison de la cabine coordonnée avec ce temps τ. Cette fonction incline légèrement le poids (relativement bien sûr). C'est la technique dite de coordination d'inclinaison (Tilt Coordination ou Vertical Apparent) car si les pilotes sont sensibles aux variations d'amplitude des accélérations, 245 ils sont aussi sensibles à leurs directions. Les ltres de coordination d'inclinaison agissent sur les composantes basses fréquences des accélérations longitudinales et latérales pour les reporter sur le tangage et le roulis respectivement (gure 5). Figure 6 Simulation de restitution du mouvement sur une accélération sinusoïdale modulée linéairement en fréquence Malgré tout, cet artice est à utiliser avec précaution car l'inclinaison de la cabine doit rester limitée en angle et en vitesse angulaire pour ne pas générer un faux mouvement susceptible 11
250 de rentrer en conit avec les informations visuelles. Ainsi apparaît une nécessité pratique de travailler autour de la position d'équilibre, du "zéro mécanique". Finalement, la structure du pilotage du mouvement est assez simple (gure 4). Il n'en reste pas moins que le développement des éléments de cette structure est réservé aux spécialistes (typiquement 2 ans de développement et 10 ans de mise au point pour un avion complet). 255 Annexes système vestibulaire : c'est le système sensoriel principal de la perception du mouvement et de l'orientation par rapport à la verticale. Il est donc à la base du sens de l'équilibre. Les récepteurs sensoriels du système vestibulaire sont situés dans l'oreille interne. mouvements d'un avion : Figure 7 Les mouvements d'un avion 12