DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE

[0001] L'invention se rapporte à un procédé d'aide au roulage et à l'anticollision destiné au déplacement d'un véhicule, en particulier d'un avion en déplacement au sol (phase taxi encore appelée « taxiage ») ou encore d'autres types de véhicule (automobile sur route, navire en mer ou train de chemins de fer). L'invention se rapporte également à un équipement embarqué d'aide au roulage et à l'anticollision apte à mettre en œuvre ce procédé, ainsi qu'un aéronef comportant de tels équipements embarqués.

[0002] Classiquement, la navigation au sol (ou sur l'eau) dépend de la capacité à localiser avec précision la position des obstacles dans l'environnement du véhicule. En particulier, dans le cas des opérations de taxiage d'un avion dans un aéroport - qui constitue l'application principale mais non exclusive de la présente invention - on distingue: les obstacles inopinés (fixes ou mobiles) non prévisibles et les objets signalétiques (marquages, panneaux, bâtiments, pistes, véhicules automobiles, autres avions, personnels, etc.).

[0003] Dans ce domaine, les pilotes de l'avion en phase taxi reçoivent une aide au roulage à partir d'informations sur l'identification des obstacles inopinés ou des objets signalétiques, ainsi que sur l'estimation des distances entre l'avion et ces obstacles/objets. Ces informations, fournies par l'analyse de données fournies par des systèmes optoélectroniques embarqués, sont particulièrement utiles dans des conditions météorologiques dégradées (pluie, brouillard, de nuit, ...).

[0004] On différencie en général les systèmes de type passif comportant des caméras de prise de vue (caméras dites visibles dont le capteur est sensible dans la bande visible et proche infrarouge, ou des caméras thermiques dont le capteur est sensible dans une bande infrarouge éloignée du visible), et les systèmes de type actif utilisant une source de rayonnement électromagnétique dans la gamme des ondes radio (radars) ou de rayonnement laser à impulsions (lidars). Les systèmes actifs permettent de déduire la distance des obstacles/objets entourant l'avion par la mesure des durées d'émission/réception d'une impulsion (télémétrie).

[0005] Une aide au roulage au sol et à l'anticollision peut être alors générée par une unité numérique de traitement qui délivre des informations de distance et de position des obstacles/objets entourant l'avion, à partir de données du système optoélectronique et l'intégration de divers paramètres: vitesses relatives, distances de sécurité, trajectoires prévisionnelles, etc. ÉTAT DE LA TECHNIQUE

[0006] Entre les systèmes optroniques, il convient de distinguer ceux qui ont un grand champ de vue, tels que les caméras et les radars, et les systèmes de champ de vue réduit - voire unidirectionnel - mais à haute résolution spatiale, comme les lidars télémétriques (impulsionnels, modulés, ...).

[0007] Les caméras et les radars, agencés en poste fixe, équipent en général les aéroports pour fournir une vision globale de la zone aux contrôleurs au sol. Les pilotes n'ont pas d'accès direct à ces informations. Lorsque les caméras sont embarquées sur les avions, leur champ de vue reste limité à environ 100° afin de conserver une résolution correcte. Ces systèmes ne permettent pas de localiser avec suffisamment de précision les obstacles/objets par leurs positions et leurs distances, ni de déterminer leurs vitesses relatives.

[0008] Parmi les systèmes à haute résolution spatiale, il est connu par exemple des documents de brevet WO 2012/038662 ou FR 2 948 463, des lidars télémétriques permettant de récupérer l'intégralité du signal retour. Par un traitement adapté de ce signal, il est alors extrait une information pertinente de localisation et de distance, nettoyée des échos parasites dus aux particules de l'atmosphère (poussière, sable, pluie, brouillard, flocons de neige, etc.).

[0009] Outre les lidars télémétriques, il existe des imageurs laser appelés « ladars ». Les documents de brevet FR 2 948 463 ou EP 2 386 872 divulguent de tels ladars. [0010] Ces imageurs sont constitués d'une source d'émission laser combinée à un mono-capteur assurant la détection des échos retour, et ce pour différentes directions d'éclairement/observation. La reconstitution 3D d'une scène est obtenue par balayage du faisceau laser émis (les ladars sont également appelés « lasers scanners ») avec par exemple l'utilisation d'un obturateur électrooptique.

[0011] Un ladar peut également être constitué par une source laser divergente et un plan focal 3D (matrice de pixels synchronisée en intégralité ou pixel par pixel avec la source impulsionnelle). Chaque pixel donne alors une information de distance.

[0012] Ces systèmes à haute résolution spatiale et à courte/moyenne/longue portée restent limités en largeur de champ de vue (environ 30°). Lorsque des lasers scanners offrent des portées kilométriques, la résolution spatiale se réduit alors à quelques points par mètres carrés. De plus, ces systèmes sont difficilement embarquables du fait d'un manque de compacité, de leur masse, d'un manque de sécurité oculaire ou de robustesse.

EXPOSÉ DE L'INVENTION

[0013] L'invention vise à fournir une architecture d'imageur laser à haute résolution spatiale, présentant une robustesse et une compacité compatibles avec une application embarquée à bord d'un véhicule, en particulier à bord d'un avion. Dans ce but, l'invention propose d'élaborer une information de télémétrie laser de type grand champ par une combinaison déportée de transmission et de répartition optique adaptée.

[0014] Plus précisément, la présente invention a pour objet un procédé d'aide au roulage et à l'anticollision d'un véhicule en déplacement, en particulier d'un avion au sol, dans lequel une information de position et de distance d'obstacles dans un environnement du véhicule est obtenue, selon une étape d'émission d'impulsions laser, par une télémétrie laser distribuée couplée à une optique fibrée d'illumination par transmission d'impulsions laser, répartition des impulsions et orientation dans des directions multiples de ces impulsions définissant une ouverture de champ d'illumination de l'environnement via une interface optique, puis une étape de réception en retour des impulsions laser émises par détection d'échos réfléchis par les obstacles, et une étape de traitement des échos reçus en liaison avec des informations de déplacement du véhicule transmises par une centrale de données afin d'afficher des informations de données de localisation d'obstacles.

[0015] De plus, le système optique étant installé en au moins une extrémité de véhicule, en particulier en bout d'aile d'un avion, un télémètre complémentaire de mesure de la distance extrémité / sol en temps réel, respectivement de la distance aile/sol dans le cas d'un avion, est également prévu en cette extrémité, respectivement en bout d'aile, afin de corriger la fluctuation de cette extrémité, respectivement de la voilure.

[0016] Le procédé selon l'invention peut fonctionner de jour comme de nuit, par tout temps et demeure à sécurité oculaire.

[0017] Selon des modes de mise en œuvre préférée:

- lors de l'étape de réception, la détection des échos est réalisée à proximité de l'interface optique;

- lors de l'étape de réception, la détection des échos réfléchis est réalisée après transmission par une optique fibrée de réception des échos reçus, cette optique fibrée de réception étant couplée à l'interface optique de manière semblable à l'optique fibrée d'illumination;

- la transmission entre la réception des échos et le lieu de leur traitement est assurée au moins partiellement par conversion des échos reçus en signaux radiofréquence puis par reconversion en signaux électriques;

- l'illumination du champ de vue réalisée par télémétrie laser est corrélée à une visualisation du champ de vue réalisée par une imagerie sensible dans la gamme de rayonnement visible, proche infrarouge et infrarouge lointain pour une vision de jour comme de nuit.

[0018] L'invention se rapporte également à un équipement embarqué d'aide au roulage et à l'anticollision d'un véhicule en déplacement dans un environnement susceptible de contenir des obstacles, en particulier d'un avion au sol, et apte à mettre en œuvre le procédé ci-dessus. [0019] Un tel équipement comporte un télémètre laser couplé à au moins une fibre optique d'émission d'impulsions laser, elle-même couplée à un système optique d'orientation multiple des impulsions laser via un répartiteur optique d'émission couplé, en sortie, à un faisceau de fibres optiques d'illumination distribuées spatialement de sorte à couvrir, par le système optique, un champ d'illumination de quelques degrés jusqu'à 360° sous forme d'illuminations laser, et un détecteur d'échos des impulsions laser émises puis réfléchies par les obstacles de l'environnement. Ce détecteur est en liaison avec une unité de traitement desdits échos, elle-même reliée à une centrale de données relatives aux conditions de déplacement du véhicule dans ledit environnement et à un système d'affichage de données de localisation d'obstacles.

[0020] De plus, le système optique étant installé en au moins une extrémité de véhicule, en particulier en bout d'aile d'un avion, un télémètre complémentaire de mesure de la distance extrémité / sol en temps réel, respectivement de la distance aile/sol dans le cas d'un avion, est également prévu en cette extrémité, respectivement en bout d'aile, afin de corriger la fluctuation de cette extrémité, respectivement de la voilure.

[0021] Selon un mode de réalisation particulier, le détecteur d'échos est agencé à proximité du système optique.

[0022] Selon un autre mode de réalisation particulier, la réception des échos est opérée par un faisceau de fibres optiques de réception, distribuées spatialement sur le système optique de manière semblable au faisceau de fibres optiques d'illumination. Ce faisceau de fibres optiques de réception est couplé optiquement à un répartiteur optique de réception, agissant en concentrateur d'échos, lui-même couplé à un boîtier de détection d'échos via une fibre optique de réception.

[0023] De manière avantageuse, dans le cas où le véhicule est un avion comportant notamment un fuselage et des ailes, le répartiteur optique d'émission et, le cas échéant, le répartiteur optique de réception sont intégrés soit dans le fuselage, en particulier dans une baie avionique, les faisceaux de fibres optiques d'illumination et de réception étant alors agencés entre l'aile et le fuselage dans un fuseau de protection, soit dans chaque aile de l'avion de sorte que la partie optique de l'équipement se trouve dans l'aile et sa partie de traitement de signal dans le fuselage de l'avion.

[0024] De préférence, le système optique est constitué de lentilles ou de groupes de lentilles présentant une face externe convergente, chaque lentille ou groupe de lentilles étant couplé à une fibre optique d'illumination et, le cas échéant, à une fibre optique de réception. Dans le cas où le véhicule est un avion, ce système optique peut être agencé aux extrémités d'ailes de l'avion.

[0025] Avantageusement, lorsque le système optique est agencé en bout d'aile, un télémètre complémentaire est également prévu de préférence en bout d'aile pour mesurer la distance aile/sol en temps réel afin de corriger la fluctuation de voilure.

[0026] Par ailleurs, la transmission des échos à l'unité de traitement est réalisée soit par liaison filaire soit par conversion en signaux radiofréquence.

[0027] De manière préférée, le télémètre laser est combiné à une caméra de visualisation de l'environnement, équipée de capteurs sensibles dans des gammes de rayonnement visible/proche infrarouge et infrarouge lointain pour une vision de jour comme de nuit, par des moyens de superposition des informations de télémétrie et d'image.

PRÉSENTATION DES FIGURES

[0028] D'autres données, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description non limitée qui suit, en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement :

- la figure 1 , une vue latérale schématique d'un exemple d'équipement d'aide au roulage et à l'anticollision selon l'invention embarqué dans une aile et le fuselage d'un avion, la détection des échos étant réalisée en bout d'aile;

- les figures 2a et 2b, une vue latérale schématique d'un autre exemple d'équipement d'aide au roulage et à l'anticollision selon l'invention embarqué dans une aile et le fuselage d'un avion, avec une détection des échos réalisée dans le fuselage ainsi qu'une répartition/concentration des transmissions d'impulsions/ d'échos réalisée soit dans l'aile et le fuselage de l'avion (figure 2a) soit uniquement dans l'aile (figure 2b), et - la figure 3, une vue globale schématique d'un avion en taxiage au sol muni, aux extrémités de ses ailes, d'équipements selon l'invention.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE

[0029] Dans les figures, deux éléments identiques ou quasi-identiques, par exemple les lentilles illustrées sur les figures 1 , 2a et 2b, sont désignés par un même signe de référence, la description de cet élément étant renvoyée au passage qui en traite.

[0030] En référence à la vue latérale schématique de la figure 1 , un premier exemple d'équipement d'aide au roulage et à l'anticollision 1 selon l'invention est illustré. Cet équipement 1 est embarqué dans une aile 2 pour la partie optique, et à l'intérieur d'un fuselage d'avion 3, avantageusement dans la baie avionique, pour la partie de traitement de signal. L'aile 2 et le fuselage 3 sont symboliquement séparés par la droite D1 . Dans le cas présent, l'avion se trouve en taxiage au sol à distance rapprochée d'un obstacle inopiné, un chariot de transport 4.

[0031] L'équipement 1 comporte un télémètre laser 1 1 disposé dans la baie avionique 3. Ce télémètre 1 1 est couplé à une fibre optique dite d'émission F1 , pour la transmission des impulsions laser « I » émises par le télémètre laser 1 1 vers l'aile 2 de l'avion. Cette fibre optique d'émission F1 est couplée optiquement à un système optique d'illumination 12 disposé en bout d'aile 20. Ce système optique 12 réalise une orientation multiple des impulsions laser « I » par l'intermédiaire d'un répartiteur optique d'émission 13 agencé dans l'aile 2.

[0032] En sortie du répartiteur optique 13, un faisceau de fibres optiques d'illumination Fe transmet en parallèle les impulsions « I » qui seront ensuite émises par le système optique 12. Pour ce faire, chaque fibre optique d'illumination Fe est couplée à une lentille convergente L1 du système optique 12. Ce système optique 12 distribue alors spatialement ces impulsions « I » sous forme d'illuminations laser Fi hors de l'avion. Les lentilles L1 présentent une face externe convergente, sont répartis en bout d'aile 20 et sont orientés de sorte à ce que l'ensemble des lentilles L1 puisse couvrir un large champ d'illumination Ci. Ainsi, le champ d'illumination Ci peut couvrir un champ de quelques degrés jusqu'à 360° dans sa dimension la plus élevée.

[0033] Un détecteur d'échos 14 est agencé en bout d'aile 20 à proximité du système optique 12, de manière juxtaposée à ce système optique 12 dans l'exemple illustré. Ce détecteur 14 reçoit des échos Er provenant de la réflexion des illuminations laser Fi sur les obstacles de l'environnement de l'avion, le chariot de transport 4 dans l'exemple. Le détecteur d'échos 14 possède un champ de vue C1 qui englobe le champ d'illumination Ci du système optique 12.

[0034] Une unité de traitement numérique des échos 15, agencée dans la baie avionique 3, reçoit les signaux de réception d'échos du détecteur 14 par une liaison filaire et les convertit en données numériques. Alternativement, la transmission est réalisée par une liaison radiofréquence adaptée. Dans ce cas, le détecteur d'échos convertit les signaux d'échos reçus en signaux radiofréquence. Un système d'antennes d'émission/réception radiofréquence entre le détecteur 14 et l'unité de traitement 15 transmet les signaux radiofréquence. L'unité de traitement convertit ensuite les signaux radiofréquence reçus en données numériques.

[0035] Une analyse de ces données numériques permet de fournir des données de localisation du chariot transporteur 4, en position et en distance par rapport à l'avion. Avantageusement, cette analyse de données comporte également un télémètre vertical pointé vers le sol, ou tout dispositif équivalent, qui corrige la position en temps réel de l'aile vis-à-vis du plan de référence (le sol dans l'exemple de réalisation).

[0036] Cette unité de traitement 15 est également reliée à une centrale avionique de données 16 qui lui fournit les paramètres de déplacement de l'avion dans son environnement. L'unité de traitement 15 transmet alors des signaux d'information à un système d'affichage 17 disposé dans le cockpit et destiné à visualiser les données de localisation - position et distance - des obstacles détectés, le chariot transporteur 4 dans l'exemple. Avantageusement, ces signaux d'information fournissent des données prévisionnelles de sécurité combinant dans un traitement logiciel les données de déplacement de l'avion provenant de la centrale avionique 16 et les données de localisation d'obstacle provenant du détecteur d'échos 14.

[0037] Afin d'optimiser la localisation des obstacles, l'unité de traitement numérique 15 transmet également des signaux de commande au télémètre laser 1 1 et au répartiteur optique 13 en fonction des échos reçus par le détecteur 14, en particulier par un balayage adapté du répartiteur optique 13.

[0038] Avantageusement, le télémètre laser 1 1 est combiné à une caméra de visualisation 18. Cette caméra 18, également commandée par l'unité de traitement 15, comporte un capteur sensible dans les gammes du rayonnement visible/proche infrarouge et infrarouge lointain pour une vision de jour comme de nuit. Des moyens de superposition des images visualisées par la caméra 18 et de l'information 3D (issue des illuminations laser Fi) permet de fournir une imagerie réaliste intégrant la notion de télémétrie d'obstacles dans la scène.

[0039] Un autre exemple de réalisation d'équipement d'aide au roulage et à l'anticollision est illustré par la vue supérieure schématique de la figure 2a. Dans cet équipement Y, également embarqué dans l'aile 2 et la baie avionique de fuselage 3, le traitement de détection d'échos n'est plus réalisé en bout d'aile 20 dans le détecteur 14, comme dans l'exemple précédent, mais dans un boîtier de détection d'échos 14' inséré dans la baie avionique 3.

[0040] Dans cet exemple, le répartiteur optique d'émission 13 est déporté dans la baie avionique 3 et le faisceau de fibres optiques d'illumination Fe est concentré dans un fuseau 19 pour transmettre les impulsions jusqu'à l'aile 2. A proximité du bout d'aile 20, les fibres optiques d'illumination sont réparties de sorte que chacune de ces fibres Fe soit couplée à une lentille L1 du système optique 12 pour émettre une illumination laser Fi dans une direction donnée.

[0041] Après réflexion des illuminations laser Fi sur un obstacle, comme le chariot de transport 4 (figure 1 ), les échos Er sont transmis à un faisceau de fibres optiques de réception Fr, chacune de ces fibres Fr étant également couplée à une lentille L1 . Les fibres de réception Fr sont ainsi distribuées spatialement sur le système optique 12 de manière semblable au faisceau de fibres optiques d'illumination Fe. [0042] Le faisceau de fibres de réception Fr est regroupé pour être acheminé, via le fuseau de protection 19, jusqu'à la baie avionique 3. De manière semblable à l'émission, mais inversement selon le principe du retour de la lumière, les fibres de réception Fr sont éclatées au sortir du fuseau 19 pour être couplées optiquement à un répartiteur optique de réception 13' utilisée comme concentrateur optique de réception. Ce répartiteur optique de réception 13' est couplé au boîtier de détection d'échos 14' via une fibre optique de transmission F2.

[0043] Dans cet exemple, l'unité de traitement numérique 15 reçoit des signaux de localisation d'obstacle provenant du boîtier de détection 14' et des données de déplacement de l'avion transmises par la centrale avionique 16, puis transmet des informations de sécurité croisées au système d'affichage 17, comme dans l'exemple précédent. De plus, l'unité de traitement 15 commande les répartiteurs optiques 13 et 13' via un contrôleur 30, afin de synchroniser les phases de démarrage et d'acquisition des informations de localisation des obstacles en fonction des données reçues.

[0044] Selon une variante d'équipement d'aide au roulage et à l'anticollision illustrée en figure 2b sous la référence 1 ", les répartiteurs optiques d'émission 13 et de réception 13' ainsi que le contrôleur 30, sont intégrés dans l'aile d'avion 2. Dans ces conditions, l'aile 2 abrite la partie optique de l'équipement 1 " et la baie avionique 3 la partie de traitement de signal de cet équipement 1 ". Cette architecture n'utilise plus le fuseau 19 de l'exemple de la figure 2a car les répartiteurs 13 et 13' sont alors suffisamment rapprochés du système optique 12. Un pôle de répartition spatiale 31 des fibres optiques d'illumination Fe et de réception Fr est prévu à la place du fuseau 19.

[0045] En référence à la vue en perspective de la figure 3, l'avion 10 en taxiage au sol 40 est muni, en bout d'ailes 20, d'équipements embarqués d'aide au roulage et à l'anticollision 1 , V ou 1 " selon l'un des exemples précédents. L'avion 10 en déplacement sur le sol 40 localise alors dans son environnement et grâce à ces équipements 1 , 1 ' ou 1 ", un chariot transporteur 4 en tant qu'obstacle inopiné, puis fournit des informations aux pilotes pour corriger son trajet pour éviter l'obstacle 4. [0046] L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés. Par exemple, l'équipement 1 , 1 ' ou 1 " et en particulier l'interface optique 12, peut également être implanté sur le nez (radôme) 101 et/ou sur la dérive d'empennage 102 de l'avion 10 (cf. figure 3), ou encore sur une autre extrémité de l'avion.