FR2792478A1 - Dispositif pour la transmission d'informations entre un mobile autonome et un poste d'emission/reception - Google Patents

Abstract

Le dispositif selon l'invention fait intervenir une fibre optique (5) servant à la transmission d'informations entre un mobile autonome (1) et un poste d'émission et/ ou de réception (4). Cette fibre (5) vient s'enrouler autour d'un tambour rotatif embarqué par le mobile (1), axé perpendiculairement à l'axe de déplacement dudit mobile (1). Ce tambour comprend un circuit optoélectronique tournant (E1 , R1 ) assurant la liaison entre un coupleur optoélectronique tournant (CO1 ) et un connecteur électrique tournant (10) raccordé à la fibre (5). L'invention s'applique notamment à l'équipement d'engins tels que des " drones ".

Description

- 1- 2792478

La présente invention concerne un dispositif pour la transmission d'informations entre un mobile autonome et un poste d'émission/réception

mobile ou fixe.

Elle s'applique en particulier à des mobiles possédant à bord l'énergie nécessaire à leur locomotion, quel que soit le milieu, qu'il s'agisse du milieu

terrestre, aérien ou sous-marin.

Elle convient notamment, mais non exclusivement, à l'équipement d'engins tels que des "drones" utilisés soit dans le domaine militaire, soit pour certaines applications civiles telles que la surveillance de sites d'accès difficiles ou

présentant un danger pour l'homme.

Ces mobiles, qui présentent une grande mobilité, sont télécommandés à

distance par un pilote disposant d'une station de commande et de contrôle.

Habituellement, ils disposent d'une fonction d'observation dans le domaine visible, infrarouge ou autre, et peuvent comprendre des capteurs pouvant

effectuer simultanément des mesures physiques ou physico-chimiques.

Il s'avère que dans la plupart des applications, le milieu dans lequel évoluent ces mobiles est hostile (brouillage radioélectrique, champ ionisant, atmosphère 2- polluée,...). En outre, notamment en ce qui concerne les applications

militaires, la discrétion est un atout important, voire une nécessité absolue.

En conséquence, les solutions actuelles faisant intervenir des liaisons radioélectriques bidirectionnelles pour assurer les dialogues entre le mobile et

le poste de commande et de contrôle ne conviennent pas bien.

C'est l'une des raisons pour lesquelles l'invention propose une solution dans laquelle ces liaisons ne sont plus assurées par voie hertzienne mais par voie

optique, par l'intermédiaire d'une fibre optique de très faible diamètre.

En effet, cette solution permet à la fois de résoudre les problèmes de brouillage et de discrétion précédemment évoqués et d'assurer des transmissions à très grands débits autorisant notamment le transfert, en temps réel, à la station de commande et de contrôle, d'images numériques prises au moyen d'une caméra

ou d'un appareil de photo situé à bord du mobile.

Néanmoins, elle implique la résolution d'un problème relativement délicat à résoudre, à savoir: le problème du stockage et du dévidement de la fibre optique, ces deux opérations devant être effectuées sans que le mobile ne soit

gêné dans ses mouvements par la fibre optique.

L'invention propose donc tout d'abord d'installer les moyens de stockage et de contrôle de dévidement de la fibre, à bord du mobile (et non au niveau de la station de commande et de contrôle comme cela semblerait le plus logique) de manière à ce que la fibre optique se dévide d'elle- même à l'arrière du mobile,

selon l'axe de déplacement de celui-ci.

Par ailleurs, plutôt que d'utiliser en tant que moyen de stockage un tambour fixe associé à un mécanisme de bobinage ("pick up") tournant autour du tambour (solution selon laquelle l'extrémité de la fibre solidaire du tambour est 3- fixe et peut être directement couplée à un circuit électronique par l'intermédiaire d'un convertisseur optoélectronique fixe), l'invention propose d'utiliser un tambour rotatif axé perpendiculairement à l'axe de déplacement du mobile, de manière à limiter au strict minimum les contraintes en cisaillement et/ou en flexion appliquées à la fibre. L'inconvénient apparent de cette solution consiste en ce que l'extrémité de la fibre solidaire du tambour tourne avec celui-ci et exige donc l'emploi d'un joint tournant pour le couplage entre la fibre optique et le convertisseur optoélectronique relié aux circuits électroniques montés fixement sur le mobile. En effet, il est bien connu que ces joints tournants optiques ne possèdent pas de performances stables au cours de leurs utilisations à grande vitesse et sont

relativement coûteux.

L'invention propose donc de résoudre ce problème en solidarisant au tambour tournant un circuit optoélectronique tournant comprenant: - un coupleur optoélectronique monté sur l'extrémité de la fibre solidaire du tambour; - un circuit de traitement des signaux électriques délivrés par le coupleur ou appliqués à celui-ci, ce circuit de traitement étant connecté à un joint tournant électrique permettant d'assurer une liaison électrique entre le

circuit optoélectronique tournant et le circuit électronique fixe du mobile.

Le circuit optoélectron[que tournant pourra en outre comprendre: - d'une part, des moyens d'émission aptes à transmettre au coupleur électronique un signal provenant du circuit électronique fixe du mobile, par l'intermédiaire du joint tournant, ce signal étant représentatif d'une -4information à transmettre, via la fibre optique, à destination du poste de commande et de contrôle, et - d'autre part, des moyens de réception aptes à recevoir un signal délivré par le coupleur optoélectronique, et représentatif d'une information en provenance du poste de commande et de contrôle et à destination du circuit

électronique fixe du mobile.

Bien entendu, dans ce cas, le susdit joint tournant utilisé devra être de type multipôle. Les essais effectués sur des "drones" équipés de ce dispositif se sont avérés satisfaisants dans des conditions normales de pilotage. Toutefois, dans des conditions extrêmes impliquant des accélérations élevées des "drones", on a pu constater que la fibre était soumise à des contraintes en traction élevées et

allait jusqu'à se rompre sous l'effet de ces contraintes.

En fait, ces contraintes sont essentiellement dues à l'inertie du tambour dont la masse inclut celle du circuit optoélectronique et à diverses forces de frottement

dynamiques qui s'opposent à son dévidement.

L'invention a donc également pour but de supprimer cet inconvénient et de faire en sorte que la traction exercée sur la fibre ne puisse pas s'élever au dessus d'un seuil inférieur à la limite de qualité de transmission du signal optique (inférieur au seuil de rupture), et ce, quelque soit le mode de pilotage

du "drone".

Elle propose donc à cet effet de stocker l'extrémité de la fibre située du côté du poste d'émission/réception dans un magasin de fibre permettant de libérer de la fibre dès que l'effort de traction exercé par le mobile dépasse un seuil prédéterminé, cette libération s'effectuant avec une inertie et un effort résistant

très réduits.

-5- Avantageusement, le magasin de fibre pourra consister en un tambour du type

de celui porté par le mobile, mais présentant une inertie plus faible.

Un mode d'exécution de l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est une représentation schématique illustrant le principe du circuit optoélectronique de la bobine La figure 2 est une coupe axiale schématique d'un tambour à circuit électronique intégrée; La figure 3 est une représentation schématique montrant une fibre optique dont les deux extrémités viennent s'enrouler sur deux tambours rotatifs équipant respectivement le mobile et le poste d'émission/réception; La figure 4 est un schéma de principe d'un magasin/tampon de fibre optique pouvant équiper le poste d'émission/réception en alternative au

tambour représenté figure 3.

Sur ces figures, le mobile 1 représenté schématiquement sous la forme d'un bloc rectangulaire consiste en un "drone" équipé d'une caméra vidéo 2 apte à effectuer des prises de vue, ainsi que d'un certain nombre de capteurs 3 destinés à détecter des paramètres utiles pour la conduite du vol. Ce mobile est télécommandé à partir d'une station de commande et de contrôle 4 également représentée par un bloc visible sur la figure 1. La transmission des informations entre le mobile 1 et la station 4 est assurée au moyen d'une fibre optique 5 couplée à chacune de ses extrémités, par l'intermédiaire d'un -6- coupleur optoélectronique COI, CO2, à un circuit électronique comprenant, pour assurer une liaison bidirectionnelle, un ensemble émetteur El, E2/récepteur RI, R2. Cette fibre optique 5, qui vient s'enrouler sur une bobine B solidaire d'un tambour rotatif T porté par le mobile 1, peut par exemple consister en une fibre à saut d'indice gainée, à propagation optique multimode, de longueur d'onde optique de 1320 nanomètres, et de diamètre de 250 micromètres. Ce diamètre lui permet de présenter une résistance à la traction

relativement importante (40 Newton) sans altération du signal optique.

Néanmoins, elle demeure relativement fragile à la flexion.

Compte tenu de son aptitude à transmettre des signaux optiques, elle permet d'assurer une liaison d'excellente qualité sur des distances de l'ordre de

plusieurs dizaines de kilomètres.

Moyennant l'utilisation au niveau des convertisseurs, d'émetteurs optiques El, E2 pouvant présenter de relativement faibles puissances (- 20 dBm) et d'un récepteur RI, R2 de grande sensibilité, il est possible de transmettre un signal analogique large bande (plusieurs dizaines de Mhz) ou un signal numérique de

grand débit (plusieurs centaines de koctets).

La fibre optique 5 se déroule d'elle-même à l'arrière du "drone". Celuici n'est donc pas gêné dans ses mouvements et ce, d'autant plus que le poids linéique

de la fibre optique est négligeable: 72 grammes au kilomètre.

Comme illustré sur la figure 2, le tambour T portant la bobine B de fibre 5 est monté rotatif autour d'un axe orienté perpendiculairement à l'axe longitudinal

XX' (axe de déplacement) du "drone".

Grâce à cette disposition, aucune contrainte de cisaillement ou de flexion n'est

appliquée à la fibre.

-7- Ce tambour T est entraîné par un moteur électrique M par l'intermédiaire d'un limiteur de couple électromagnétique LC de manière à assurer un bobinage et à permettre un dévidage exempt de risques d'embrouillages. Lors du dévidage, le tambour est légèrement freiné pour soumettre la fibre à une légère tension et pour éviter les effets inertiels néfastes de l'ensemble du tambour. La commande du moteur électrique M et du limiteur de couple LC est assurée par un circuit électronique de commande et de contrôle embarqué CE qui traite les informations émanant des capteurs et de la caméra et qui assure, par l'intermédiaire d'un système de servocommande SC, l'ensemble des opérations

de contrôle et de commande du "drone".

Dans cet exemple, le circuit CE reçoit les informations en provenance du poste 4 et d'un détecteur de couple DC situé au niveau du limiteur LC et d'un codeur incrémental CI déterminant la longueur de fibre enroulée sur le tambour T. Il est clair que l'usage d'un tambour tournant T implique la résolution du problème relatif au couplage de l'extrémité tournante de la fibre 5 solidaire du tambour T et d'un circuit optique et/ou électronique fixe destiné à émettre et/ou à recevoir des informations vers et/ou en provenance de la fibre 5. Par ailleurs,

il est relativement coûteux.

Pour les raisons précédemment évoquées, l'invention propose d'incorporer au tambour T un circuit optoélectronique tournant comprenant le coupleur optoélectronique COI relié à l'extrémité de la fibre 5 et connecté au circuit

d'émission El et au circuit de réception Ri.

La connexion de ces circuits d'émission E1 et de réception RI au circuit électronique CE ainsi que l'alimentation de ces circuits El, RI, en énergie électrique à partir de la source d'alimentation S du "drone" s'effectuent par l'intermédiaire d'un joint tournant électrique multipôle 10 dont on sait qu'il -8- permet des liaisons électriques fiables et économiques et dont la longévité communément admise est de l'ordre de 150 millions de rotations à 1000 tours

par minute.

En outre, la qualité des contacts tournants utilisés permet de transmettre soit des courants élevés, soit des signaux de faible amplitude et de large bande, tels

que des signaux vidéo.

Dans cet exemple, le tambour T est monté rotatif grâce à un palier PL dans une ossature cylindrique 1 1 présentant une ouverture 12 pour le passage de la fibre

optique 5.

Le contact tournant 10 est disposé coaxialement au palier PL, à l'opposé de celui-ci. Ce joint tournant 10 permet d'effectuer au moins quatre liaisons électriques, à savoir: - une double liaison permettant l'alimentation en énergie électrique des circuits électroniques tournants El, RI, CO, logés dans le tambour T, - une liaison permettant de transmettre, à destination de l'émetteur optique El, les signaux vidéo issus de la caméra 2, multiplexés avec les signaux issus des capteurs 3 grâce à un multiplexeur MUX, - une liaison permettant de transmettre, à destination du système de servocommande SC les signaux de télécommande en provenance du poste 4 transmis par la fibre, (ces signaux de commande, détectés par le coupleur COl, étant convertis en un signal électrique, démultiplexé par le récepteur

RI avant d'être transmis au système de servocommande SC).

Avantageusement, la bobine de fibre B pourra être extractible de la plate-

forme. Dans ce cas, la liaison optique entre la fibre 5 et le circuit optoélectronique CO,, RI, El porté par le tambour T s'effectuera simplement

par l'intermédiaire d'un connecteur situé au niveau du coupleur optique CO,.

Ce mode de chargement permet de remplacer rapidement la bobine B de fibre

optique 5 par exemple en vue d'une nouvelle mission du "drone".

Comme précédemment mentionné, pour éviter que la traction exercée sur la fibre 5 par le mobile ne puisse pas s'élever au-dessus d'un seuil inférieur à la limite de qualité de la transmission optique (inférieur au seuil de rupture selon le besoin), l'invention propose de stocker, en vue de la libérer temporairement, une longueur de fibre dans un magasin/tampon prévu au niveau du poste

d'émission/réception 4.

Dans l'exemple de la figure 3, ce magasin/tampon MG consiste en un tambour T' similaire à celui porté par le mobile 1 et conçu de manière à présenter une

inertie au dévidement aussi faible que possible.

A cet effet, il présente un diamètre plus important et est réalisé en matériau léger. De la même façon, il est couplé à un moteur M par l'intermédiaire d'un limiteur de couple LC. La commande de ce moteur M et de ce limiteur LC est alors assurée par un processeur PC qui reçoit des informations en provenance d'un détecteur de couple DC situé au niveau du limiteur LC et d'un codeur incrémental CI permettant de déterminer la longueur de fibre 5 extraite du

magasin et qui doit être ensuite rembobinée.

Avantageusement, le processeur PC sera programmé de manière à autoriser la libération de la fibre 5 stockée autour du tambour T lorsque la tension détectée par le détecteur DC s'élève au-dessus d'un seuil prédéterminé et à réaliser un

rembobinage lorsque cette tension s'abaisse ensuite en dessous dudit seuil.

-10- Bien entendu, un asservissement similaire pourra être également réalisé au niveau du tambour T porté par le mobile 1, étant entendu que dans ce cas, les

valeurs de consigne utilisées pourront être différentes.

Dans cet exemple, au sortir du tambour T', la fibre 5 s'engage dans une antenne flexible tubulaire AF qui s'oriente spontanément et s'incurve dans le sens de la

traction exercée sur la fibre 5 en amortissant ainsi les à-coups de tension.

Dans l'exemple illustré sur la figure 4, le magasin/tampon MT est constitué par deux séries de poulies Pl à P5, P'1 à P'4 autour desquelles vient circuler la fibre , à savoir une série de poulies fixes Pl à P5 situées à un même niveau et une série de poulies mobiles P', à P'4 éventuellement lestées, mobiles verticalement au droit des intervalles entre les poulies fixes Pl à P5 et au-dessous de ces dernières. D'une façon plus précise, la fibre 5 provenant du mobile 1, passe alternativement sur une poulie fixe Pl, puis sous une poulie mobile P'1, puis à nouveau sur une poulie fixe P2, sous une poulie mobile P'2 et ainsi de suite avant de venir se fixer, par son extrémité E au niveau d'un coupleur optoélectronique fixe CF. De ce fait, les poulies mobiles P', à P'4 se trouvent

suspendues par la fibre 5.

Lorsqu'aucun effort de traction n'est exercé sur la fibre 5 du côté du mobile 1, les poulies mobiles P', à P'4 sont en position basse, position dans laquelle elles

viennent en butée sur une pièce d'appui PA.

La longueur de fibre 5 contenue dans le magasin MT est alors maximale.

A l'inverse, une butée haute PH est prévue pour limiter la course des poulies

mobiles P', à P'4 vers le haut.

- lIl -

Lorsqu'une traction suffisante est exercée sur le câble 5, les poulies mobiles P', à P'4 tendent à se soulever en provoquant ainsi une libération de la fibre avec

une tension correspondant au poids des poulies soulevées.

Avantageusement, le poids des poulies mobiles P', à P'4, équipées de leur lest,

pourra aller en croissant en direction de l'extrémité fixe E de la fibre 5.

Dans ce cas, un détecteur optique DO pourra être prévu de manière à détecter le soulèvement des poulies P'1 à P'4 et à en déduire le niveau de traction exercé

sur la fibre 5.

Cette information, traitée par le processeur PC, pourra être transmise via la fibre 5 au circuit électronique CE du mobile de manière à pouvoir être

exploitée dans le cadre de l'asservissement en tension de la fibre.

Il est clair que cette solution présente l'avantage de pouvoir utiliser un

convertisseur optoélectronique fixe.

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Claims (15)

Revendications

1. Dispositif pour la transmission d'informations entre, d'une part, un mobile autonome (1) comprenant un circuit électronique de traitement d'informations (CE) et, d'autre part, un poste d'émission et/ou de réception (4), ladite transmission s'effectuant grâce à une fibre optique (5) reliant ledit poste (4) audit mobile (1), caractérisé en ce que ladite fibre vient s'enrouler autour d'un tambour (T) rotatif embarqué sur le mobile (1), et axé perpendiculairement à l'axe de

déplacement dudit mobile (1).

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit optoélectronique tournant (El, RI, CO,) solidarisé au tambour (T), ce circuit optoélectronique comportant des moyens d'émission (El) aptes à appliquer des signaux optiques sur la fibre (5) à destination du susdit poste (4) et/ou des moyens de réception (RI) aptes à convertir les signaux optiques véhiculés par la fibre (5) en provenance dudit poste (4) en des signaux électriques appliqués au susdit circuit électronique de

traitement (CE).

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la liaison entre les moyens d'émission (El) et de réception (RI) à la fibre (5) s'effectue par l'intermédiaire d'un coupleur optoélectronique

(COI) monté sur l'extrémité de la fibre (5) solidaire en rotation du tambour (T).

4. Dispositif selon l'une des revendications 2 et 3,

caractérisé en ce que la liaison électrique entre le circuit optoélectronique tournant (El, RI, CO,) et le circuit électronique de traitement (CE) porté par le

mobile est assurée par un joint électrique tournant (10).

5. Dispositif selon la revendication 4, -13 - caractérisé en ce que le joint électronique tournant (1 0) est de type multipôle et sert en outre à assurer l'alimentation en énergie électrique du circuit

optoélectronique tournant (El, RI, COI).

6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes,

caractérisé en ce que la susdite fibre (5) vient s'enrouler sur une bobine (B)

montée de façon amovible sur le tambour (T).

7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la liaison optique entre la fibre (5) et le circuit optoélectronique tournant (El, RI, CO1) est assurée au moyen d'un connecteur

prévu au niveau du coupleur optoélectronique (COI).

8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes,

caractérisé en ce que le tambour (T) est couplé à un moteur (M) par

l'intermédiaire d'un limiteur de couple (LC).

9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la commande de ce moteur (M) et de ce limiteur (LC) est assurée par le circuit électronique (CE) qui reçoit des informations, d'une part en provenance dudit poste (4) et, d'autre part en provenance d'un détecteur d'essais de mesure de la tension du câble et/ou d'un codeur incrémental (CI) permettant de déterminer la longueur de fibre enroulée sur, ou extraite du magasin.

10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes,

caractérisé en ce qu'il comprend, au niveau du susdit poste (4), un magasin/tampon permettant de stocker une longueur de fibre (5) et de la libérer dès que l'effort de traction exercé sur la fibre dépasse un seuil

prédéterminé.

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11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le susdit magasin comprend un tambour rotatif (T') similaire au susdit tambour (T) et associé à des moyens d'asservissement

permettant de limiter et/ou rendre constante la tension de la fibre.

12. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le susdit magasin/tampon comprend deux séries de poulies, à savoir une série de poulies fixes (Pl à P5) sur lesquels passe la fibre et une série de poulies mobiles éventuellement lestées (P'1 à P'4) disposées au

droit des intervalles entre les poulies fixes (Pl à P5).

13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que la course des poulies mobiles (P'l à P'4) est limitée par

une butée haute et une butée basse.

14. Dispositifselon l'une des revendications 12 et 13,

caractérisé en ce qu'il comprend un détecteur apte à détecter le soulèvement des poulies mobiles et à transmettre une information correspondante au

processeur du poste (4).

15. Dispositif selon l'une des revendications précédentes,

caractérisé en ce qu'au sortir du poste (4), la fibre circule dans une antenne

tubulaire flexible.