FR2840073A1 - Procede et dispositif pour estimer au moins la vitesse verticale d'un aeronef, en particulier d'un aeronef a voilure tournante - Google Patents
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Abstract
-Procédé et dispositif pour estimer au moins la vitesse verticale d'un aéronef, en particulier d'un aéronef à voilure tournante. -Le dispositif (1A) comporte un moyen (2) pour mesurer une accélération verticale de l'aéronef, un moyen (3A) pour réaliser une mesure barométrique, un moyen (4A) pour former une composante à partir de la différence entre une première valeur prenant en compte la mesure barométrique et une seconde valeur prenant en compte une estimation de la vitesse verticale, un moyen (5) pour réaliser la somme de l'accélération verticale mesurée et de ladite composante, un moyen (6) pour intégrer cette somme de manière à former la vitesse verticale à estimer, et un moyen (8A) pour écrêter ladite différence, en supprimant le cas échéant la partie de ladite différence qui est supérieure, en valeur absolue, à une valeur prédéterminée.
Description
zone peripherique (5) sur le support
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La presente invention concerne un procede et un dispositif pour estimer au moins la vitesse verticale et eventuellement ['altitude d'un
aeronef, en particulier d'un aeronef 3 voilure tournante.
11 est connu de mesurer 1'altitude et la vitesse verticale d'un aeronef, par exemple d'un aeronef a voilure tournante, a 1'aide de capsules barometriques qui realisent des mesures barometriques. Toutefois, de telles mesures barometriques qui vent precises 3 haute altitude presentent des erreurs importantes a basse altitude, surtout dans le cas d'un aeronef a voilure tournante, tel qu'un helicoptere par exemple, en raison de
o ['existence d'un effet de sol precise ci-dessous.
On salt que la sustentation d'un helicoptere est basee sur l'egalite
entre la poussee du rotor principal et le poids de l'helicoptere.
Normalement, en particulier a haute altitude, la discontinuite de pression rencontree dans une veine d'air traversant le disque du rotor principal est s essentiellement constituee d'une depression a ltextrados, ce qui ne perturbe pas le fonctionnement d'une capsule barometrique destinee 3 mesurer I'altitude barometrique, dont les prises de la pression statique vent agencees sur le fuselage de l'helicoptere, c'est-3- dire au niveau de l'intrados. Toutefois, a basse altitude [par exemple a une altitude o inferieure a 18 metres (60 pieds)], I'ecoulement du flux d'air interagit avec le sol et une surpression est creee sous le disque du rotor principal engendrant l'effet de sol indique precedemment. Dans ce cas, la force de sustentation est bien entendu toujours la meme, mais le nouvel equilibre est base presque entierement sur la surpression regnant entre le disque rotor et le sol. En raison de la taille importante d'un rotor principal d'helicoptere, la totalite du fuselage est situee dans ce champ de
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surpression et done egalement les prises de la pression statique d'une capsule barometrique, ce qui engendre une erreur importante lors de la mesure de ['altitude barometrique au moyen d'une telle capsule barometrique. 11 appara^'t une erreur similaire dans la mesure, 3 basse s altitude, de la vitesse verticale barometrique, c'est-3-dire de la vitesse
verticale de l'aeronef qui est basee sur une mesure barometrique.
Afin de remedier au moins partiellement 3 ces inconvenients, il est connu d'utiliser une valeur d'acceleration verticale qui est mesuree par une centrale d'attitude et de cap de l'aeronef, pour filtrer (et done corriger) la o mesure d ' altitude barometrique utilisee lors de 1 ' estimation de la vitesse verticale et/ou de ['altitude d'un aeronef. Differents filtres formes 3 cet
effet vent connus.
De facon generale, gr3ce a de tels filtres (appeles "boucles de verticale"), la vitesse verticale estimee est obtenue par ['integration de la somme: - d'une premiere composante correspondent 3 une mesure d'acceleration verticale; et - d'une seconde composante obtenue 3 partir de la difference entre une premiere valeur prenant en compte une mesure barometrique (altitude o barometrique ou vitesse verticale barometrique) et une seconde valeur prenant en compte (directement ou apres integration) une estimation
precedente de ladite vitesse verticale.
Bien qutils permettent de reduire les erreurs dans ['estimation de la vitesse verticale de l'aeronef, de tels filtres n'engendrent pas une s reduction d'erreur suffisante pour permettre l'utilisation de cette estimation 3 basse altitude. En outre, comme le pilote utilise la mesure de vitesse verticale comme reference de pilotage et comme les erreurs vent etalees dans le temps, les erreurs de pilotage qui en decouleraient pourraient 8tre tres importantes et lourdes de consequences. En particulier, une vitesse sous-estimee aurait pour consequence d' inciter le pilote a augmenter la vitesse avec le risque d'atteindre la limite de
puissance de l'aeronef et de sortir du domaine de vol autorise.
La presente invention a pour objet de remedier a ces s inconvenients. Wile concerne un procede permettant de fournir une estimation precise et gable de la vitesse verticale d'un aeronef, en particulier d'un aeronef a voilure tournante, queue que soit son altitude, et
done egalement a basse altitude.
A cet effet, selon ['invention, ledit procede selon lequel la vitesse o verticale estimee est obtenue par ['integration de la somme: - d ' une premiere composante correspondent a une mesure d' acceleration verticale; et - d'une seconde composante obtenue a partir de la difference entre une premiere valeur prenant en compte une mesure barometrique et une seconde valeur prenant en compte une estimation precedente de ladite vitesse verticale, est remarquable en ce que l'on ecrete ladite difference, en supprimant le cas echeant la partie de ladite difference qui est superieure, en valeur absolue, a une valeur predeterminee, Ainsi, grace a ['invention, on ecrete les differences qui presentent des valeurs elevees. De telles valeurs elevees proviennent essentiellement de ladite mesure barometrique et representent des erreurs de mesure barometrique qui vent dues a lteffet de sol precise. De telles erreurs presentent, comme on le salt, des durees breves et des amplitudes tres elevees, et ceci quel que soit le type de 1'aeronef et queue que soit sa taille. Par consequent, en limitant (par l'ecretement) I'effet des eventuelles erreurs de mesure barometrique, qui apparaissent a basse altitude (au pose et au decollage d'un aeronef a voiture tournante notamment), on obtient une estimation tres precise de la vitesse verticale de l'aeronef a basse altitude et done egalement sur tout le domaine de vol. puisque les seuls defauts de precision du procede connu precise apparaissaient a basse altitude, en particulier dans le cas d'un aeronef a voilure tournante 3 une altitude inferieure a 1,5 fois le diametre du rotor
principal de cet aeronef.
Dans un premier mode de realisation, ladite premiere valeur est une vitesse verticale barometrique qui est obtenue par derivation d'une mesure d'altitude barometrique et ladite seconde valeur est une vitesse
verticale estimee.
Dans un second mode de realisation, ladite premiere valeur est une mesure d'altitude barometrique et ladite seconde valeur est une estimation
d'altitude obtenue par ['integration d'une vitesse verticale estimee.
Dans ce cas, de preference, pour obtenir l'ecretement de ladite
difference, on ecrete ladite estimation d'altitude.
Selon ['invention, on estime de facon repetitive la vitesse verticale et on utilise la vitesse verticale obtenue lors d'une estimation precedente
pour former la seconde valeur utilisee lors d'une estimation actuelle.
En outre, dans un mode de realisation particulier, on determine de plus une estimation de ['altitude, en integrant la somme: - d'une troisieme composante correspondent a ladite vitesse verticale estimee; et - d'une quatrieme composante obtenue a partir de la difference entre une mesure d'altitude barometrique et une estimation precedente de
ladite altitude.
Par ailleurs, de facon avantageuse, on suspend temporairement ledit ecretement, lorsque l'une des conditions suivantes est verifiee: I'aeronef est en phase de virage;
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- la vitesse de l'aeronef par rapport a l'air est superieure a une vitesse predeterminee; et - une centraie d'attitude et de cap de l'aeronef est en phase d'alignement. La presente invention concerne egalement un dispositif pour estimer, de facon pr;ecise, au moins la vitesse verticale d'un aeronef,
notamment d'un aeronef a voilure tournante, queue que soit son altitude.
Pour ce faire, selon ['invention, ledit dispositif du type comportant: un premier moyen pour mesurer une accel;eration verticale de l'aeronef; un second moyen pour realiser une mesure barometrique; - un troisieme moyen pour former une composante a partir de la difference entre une premiere valeur prenant en compte ladite mesure barometrique et une seconde valeur prenant en compte une estimation de vitesse verticale; - un quatrieme moyen pour realiser la somme de ladite acceleration verticale mesuree et de ladite composante; et - un cinquieme moyen pour integrer ladite somme de maniere a former la vitesse verticale a estimer, est remarquable en ce qu'il comporte de plus un sixieme moyen pour ecreter ladite difference, en supprimant le cas echeant la partie de ladite difference qui est superieure, en valeur absolue, a une valeur predeterminee [par exemple 0,5 m/s (100 pieds/minute) ou 15 metres (50 :5 pieds)]. De preference, ledit premier moyen est une centrale d'attitude et
de cap montee sur l'aeronef.
En outre, dans un premier mode de realisation, led it second moyen comprend une capsule barometrique montee sur l'aeronef et mesurant la pression statique pour fournir une mesure d'altitude barometrique. Dans un second mode de realisation, ledit second moyen comprend, montes sur l'aeronef: - une capsule barometrique qui mesure la pression statique; et s - un moyen auxiliaire qui realise une derivation (mathematique) de cette pression statique pour fournir une mesure de vitesse verticale barometrique. Par ailleurs, le dispositif conforme a ['invention comporte egalement, de facon avantageuse: - un septieme moyen pour integrer la somme de la vitesse verticale formee par ledit cinquieme moyen et d'une composante obtenue a partir de la difference entre, d'une part, une altitude barometrique mesuree par ledit second moyen et, d'autre part, une estimation precedente de ['altitude, de maniere a former une altitude estimee de s l'aeronef; et/ou - un huitieme moyen pour suspendre temporairement l'ecretement mis
en oeuvre par ledit sixieme moyen.
Les figures du dessin annexe feront bien comprendre comment ['invention peut etre realisee. Sur ces figures, des references identiques
o designent des elements semblables.
Les figures 1 a 4 montrent les schemes synoptiques d'un dispositif d'estimation conforme a ['invention, respectivement selon quatre modes
de realisation differents.
Le dispositif conforme a ['invention et represente selon quatre
s modes de realisation 1A, 1B, 1C et 1D differents respectivement sur les
figures 1 3 4, est destine a estimer au moins la vitesse verticale Vvib d'un aeronef non represente, en particulier d'un aeronef a voilure tournante tel
qutun helicoptere.
Ledit dispositif 1 A, 1 B. 1 C, 1 D est du type comportant: - un moyen 2 pour mesurer une acceleration verticale v de l'aeronef; - un moyen 3A, 3B pour realiser une mesure barometrique Vvb, Zb; - un moyen 4A, 4B, 4C, 4D pour former une composante a partir de la difference entre une premiere valeur prenant en compte ladite mesure s barometrique recue du moyen 3A, 3B et une seconde valeur prenant en compte une estimation de la vitesse verticale (directement ou apres integration); - un moyen 5 pour realiser la somme entre ladite acceleration verticale v mesuree par le moyen 2 et ladite composante calculee par ledit o moyen 4A, 4B, 4C, 4D; et - un moyen 6 pour integrer ladite somme (recue du moyen 5) de maniere a former la vitesse verticale Vvib a estimer, qui est disponible au
moyen d'une liaison 7.
Selon ['invention, ledit dispositif 1A, 1B, 1C et 1D comporte de is plus un moyen 8A, 8B, 8C et 8D pour ecreter la difference formee par le moyen 4A, 4B, 4C et 4D, en supprimant le cas echeant la partie de ladite difference qui est superieure, en valeur absolue, a une valeur
predeterminee AVmax, AZmax precisee ci-dessous.
Ainsi, grace a ['invention, on ecrete les differences qui presentent o des valeurs elevees. De telles valeurs elevees proviennent essentiellement de ladite mesure barometrique Vvb, Zb (moyen 3A, 3B) et representent des erreurs de mesure barometrique qui vent dues 3 un effet de sol engendrant une surpression entre le sol et l'aeronef, dans la zone de mesure du moyen 3A, 3B. De telles erreurs de mesure presentent, comme s on le salt, des durees breves et des amplitudes tres elevees, et ceci quel
que soit le type de l'aeronef et queue que soit sa taille.
Par consequent, en limitant (par l'ecretement) I'effet des eventuelles erreurs de mesure barometrique, qui apparaissent a basse altitude (au pose et au decollage d'un aeronef a voiture tournante notamment), on obtient une estimation tres precise de la vitesse verticale Vvib de l'aeronef a basse altitude et done egalement sur tout le domaine de vol. puisque les defauts de precision importants (ainsi corriges)
apparaissent essentiellement a basse altitude.
Ledit moyen 2 est une centrale d'attitude et de cap usuelle (de type "AHRS": "Attitude and Heading Reference System" par exemple), qui est montee sur l'aeronef et qui, de facon connue, permet de
determiner une acceleration verticale v.
Dans le mode de realisation des figures 1 et 2, ledit moyen 3A o fournit une mesure de vitesse verticale barometrique Vvb. A cet effet ledit moyen 3A comprend, montes sur l'aeronef et non representes: - une capsule barometrique usuelle, qui mesure la pression statique; et - un moyen auxiliaire usuel (dispositif pneumatique ou moyen de calcul), qui realise une derivation (mathematique) de cette pression statique
s pour fournir une mesure de la vitesse verticale barometrique Vvb.
Par ailleurs, ledit moyen 4A comporte un moyen de calcul 9 qui fait la difference entre la vitesse verticale barometrique Vvb fournie par le moyen 3A et la vitesse verticale Vvib estimee lors d'une estimation precedente. o Le dispositif 1A represente sur la figure 1 comporte, de plus, un filtre de contra-reaction qui est decompose en deux elements de filtrage lO et 11 de fonctions de transfert respectives F1 et F2. La fonction de transfert F1 est du type "passe-bas" avec une frequence de coupure beaucoup plus elevee que la frequence de coupure globale du filtre en :5 boucle fermee. Le moyen d'ecretement 8A est monte entre ces deux
elements de filtrage 10 et 1 1.
De cette maniere, les composantes indesirables du signal d'ecart (Vvb Vvib) vent eliminees avant ecretement. II est possible de choisir F1 et F2 de telle maniere que leur produit soit egal a la fonction de transfert usuelle sans moyen 8A, ce qui garantit un fonctionnement identique en regime de petite signaux (c'est-3-dire en ['absence de pic d'erreurs lors de
['entree dans l'effet de sol ou de la sortie de l'effet de sol).
Ce mode de realisation de la figure 1 presente toutefois un inconvenient dG au fait que ['element de filtrage Fl est de type "passe bas". En effet, en presence de pies d'erreurs, I'etat de sortie a evolue en un temps non nul (effet de tranage), au-del3 du seuil d'ecretement. En consequence, le retour du filtre en regime lineaire (c'est-3-dire, dans l'etat ou l'ecretement n'agit plus) va prendre un certain temps, ce qui a pour
o effet d'augmenter le poids de l'erreur qui est injectee dans la boucle.
Le mode de realisation 1 B de la figure 2 permet de remedier 3 cet inconvenient. Pour ce faire, le moyen 8B est integre directement dans ['element pour former un element de filtrage 12 de contra-reaction. Le moyen 8A s va limiter le debattement de la variable d'etat de sortie de ce filtre de contra-reaction de sorte que le poids de l'erreur injectee est bien plus faible que dans le mode de realisation de la figure 1A. La difference de vitesse (Vvib-Vvb) est limitee a + AVmax, AVmax etant par exemple egal 3
pieds/minute (0,5 m/s).
o Par ailleurs, dans les modes de realisation des figures 3 et 4, le
moyen 3B fournit une mesure d'altitude barometrique Zb. A cet effet, ce moyen 3B comprend une capsule barometrique usuelle non representee,
montee sur l'aeronef et mesurant la pression statique.
En outre, le moyen 4C, 4D comporte un moyen de calcul 13 qui :5 fait la difference entre ['altitude barometrique Zb mesuree par le moyen 3B et une valeur d'altitude Zib estimee, prenant en compte la vitesse verticale
estimee Vvib et precisee ci-dessous.
Dans ces modes de realisation, le moyen 8C, 8D ne realise pas
l'ecretement d'une difference de vitesse verticale, mais l'ecretement d'une
difference d'altitude issue du moyen de calcul 13.
Le dispositif 1 C comporte de plus un element de filtrage 14 qui est monte entre ledit moyen 8C et le sommateur 5. Ledit dispositif 1 C fournit, en plus d'une estimation de vitesse verticale Vvib, une estimation d'altitude Zib qui est disponible au moyen
d'une liaison 1 5.
Cette altitude estimee Zib est obtenue a ['aide d'un moyen 16 qui comporte un integrateur 17 qui integre le resultat d'une somme fournie par un sommateur 18. Ce sommateur 18 fait la somme d'une estimation de la vitesse verticale Vvib fournie par l'integrateur 6 et d'une composante representant la difference precitee issue du moyen de calcul 13, qui est
filtree par un element de filtrage 19.
Les deux elements de filtrage 14 et 19 peuvent etre d'ordre quelconque. L'ordre du filtre global correspond a la somme de ceux des deux fonctions de transfert correspondantes, augmentee de 2. Par action sur ces elements de filtrage 14 et 19, on peut optimiser la selectivite entre
['acceleration verticale et ['altitude barometrique.
o Par ailleurs, le mode de realisation 1 D de la figure 4 est semblable a celui 1 C de la figure 3 et comporte des elements de filtrage 20 et 21 qui
vent du meme type que les elements de filtrage 14 et 19 de la figure 3.
Toutefois, le moyen 8D a pour objet de limiter directement le debattement de l'integrateur 17, au lieu de realiser l'ecretement du signal issu du :5 moyen de calcul 13. Ainsi, I'altitude Zib issue de l'integrateur 17 est limitee a une altitude + aZmax, AZmax valant par exemple 50 pieds (15 metres). Par ailleurs, selon ['invention, ledit dispositif 1 A, 1 B. 1 C et 1 D comporte de plus un moyen 24 pour suspendre temporairement I'ecretement mis en ceuvre par le moyen 8A, 8B, 8C et 8D, comme illustre par une liaison en traits mixtes 25A, 25B, 25C et 25D. Dans un mode de realisation prefere, ledit moyen 24 suspend temporairement ledit ecretement, lorsque l'une des conditions suivantes est verifiee: s I'aeronef est en phase de virage (avec un maintien de la suspension temporaire de ltecretement pendant une duree predefinie apres un retour en vol horizontal); - la vitesse de l'aeronef par rapport a l'air est superieure a une vitesse predeterminee; et o - une centrale d'attitude et de cap non representee de l'aeronef, est en
phase d'alignement.
On notera que ce moyen 24 permet de supprimer un effet secondaire negatif de l'ecretement mis en couvre par le moyen 8A, 8B, 8C et 8D conforme a ['invention. Cet effet secondaire (de l'ecretement qui est prevu dans la boucle de contra-reaction), est 1'augmentation importante de la duree d'estimation d'un nouveau biais d'acceleration verticale, en cas
de variation rapide et de grande amplitude audit biais.
Claims (13)
1. Procede pour estimer au moins la vitesse verticale d'un aeronef, en particulier d'un aeronef 3 voilure tournante, procede selon lequel la vitesse verticale estimee est obtenue par ['integration de la somme: s d'une premiere composante correspondent a une mesure d'acceleration verticale; et - d'une seconde composante obtenue 3 partir de la difference entre une premiere valeur prenant en compte une mesure barometrique et une seconde valeur prenant en compte une estimation precedente de ladite o vitesse verticale, caracterise en ce que l'on ecrete ladite difference, en supprimant le cas echeant la partie de ladite difference qui est superieure, en valeur absolue,
3 une valeur predeterminee (AVmax, AZmax).
2. Procede selon la revendication 1, caracterise en ce que ladite premiere valeur est une vitesse verticale barometrique qui est obtenue par derivation d'une mesure d'altitude
barometrique et ladite seconde valeur est une vitesse verticale estimee.
3. Procede selon la revendication 1, caracterise en ce que ladite premiere valeur est une mesure d'altitude o barometrique et ladite seconde valeur est une estimation d'altitude
obtenue par ['integration d'une vitesse verticale estimee.
4. Procede selon la revendication 3, caracterise en ce que, pour obtenir l'ecretement de ladite difference, on
ecrete ladite estimation d'altitude.
:5 5. Procede selon l'une quelconque des revendications precedentes,
caracterise en ce que lton estime de fa,con repetitive la vitesse verticale et en ce que l'on utilise la vitesse verticale obtenue lors d'une estimation precedente pour former la seconde valeur utilisee lors d'une estimation actuelle.
6. Procede selon l'une quelconque des revendications precedentes,
caracterise en ce que l'on determine de plus une estimation de ['altitude, en integrant la somme: - d'une troisieme composante correspondent a ladite vitesse verticale s estimee; et - d'une quatrieme composante obtenue 3 partir de la difference entre une mesure d'altitude barometrique et une estimation precedente de
ladite altitude.
7. Procede selon l'une quelconque des revendications precedentes,
o caracterise en ce que lton suspend temporairement ledit ecretement, lorsque l'une des conditions suivantes est verifiee: - I'aeronef est en phase de virage; - la vitesse de l'aeronef par rapport a l'air est superieure a une vitesse predeterminee; et - une centrale d'attitude et de cap de l'aeronef est en phase d'alignement.
8. Dispositif pour estimer au moins la vitesse verticale d'un aeronef, en particulier d'un aeronef a voilure tournante, ledit dispositif (1A, lB, 1C, 1D) comportant: - un premier moyen (2) pour mesurer une acceleration verticale de l'aeronef; un second moyen (3A, 3B) pour realiser une mesure barometrique; - un troisieme moyen (4A, 4B, 4C, 4D) pour former une composante a partir de la difference entre une premiere valeur prenant en compte ladite mesure barometrique et une seconde valeur prenant en compte une estimation de la vitesse verticale; - un quatrieme moyen (5) pour realiser la somme de ladite acceleration verticale mesuree et de ladite composante; et - un cinquieme moyen (6) pour integrer ladite somme de maniere a former la vitesse verticale a estimer, caracterise en ce qu'il comporte de plus un sixieme moyen (8A, 8B, 8C, 8D) pour ecreter ladite difference, en supprimant le cas echeant la partie de ladite difference qui est superieure, en valeur absolue, a une valeur
predeterminee (AVmax, AZmax).
9. Dispositif selon la revendication 8, caracterise en ce que ledit premier moyen (2) est une centrale d'attitude
et de cap montee sur l'aeronef.
o
10. Dispositif selon l'une des revendications 8 et 9,
caracterise en ce que ledit second moyen (3B) comprend une capsule barometrique montee sur l'aeronef et mesurant la pression statique pour
fournir une mesure d'altitude barometrique.
11. Dispositif selon l'une des revendications 8 et 9,
caracterise en ce que ledit second moyen (3A) comprend, montes sur i'aeronef: - une capsule barometrique qui mesure la pression statique; et - un moyen auxiliaire qui realise une derivation de cette pression statique
pour fournir une mesure de vitesse verticale barometrique.
12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 a 11,
caracterise en ce qu'il comporte, de plus, un septieme moyen (16) pour integrer la somme de la vitesse verticale formee par ledit cinquieme moyen (6) et d'une composante obtenue a partir de la difference entre, d'une part, une altitude barometrique mesuree par ledit second moyen (3B) et, d'autre part, une estimation precedente de ['altitude, de maniere a former
une altitude estimee de l'aeronef.
13. Dispositif selon rune quelconque des revendications 8 a 12,
caracterise en ce qu'il comports, de plus, un huitieme moyen (24) pour suspendre temporairement ltecretement mis en ceuvre par ledit sixieme
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