FR3009117A1 - Procede et systeme d'atterrissage automatique autonome - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un système d'atterrissage automatique d'un aéronef sur une piste d'atterrissage, comprenant une caméra vidéo embarquée (110) destinée à prendre des images du sol ; des moyens de traitement d'images (120) pour extraire de ces images des éléments visuels caractéristiques de la piste d'atterrissage ; des moyens de guidage (130) déterminant des ordres de guidage de l'aéronef pour l'amener dans un plan d'approche nominal et l'aligner dans l'axe de la piste d'atterrissage, à partir des positions respectives des éléments visuels caractéristiques de la piste d'atterrissage dans au moins l'une desdites images, les ordres de guidage étant fournis à un calculateur de commandes de vol (150).

Description

PROCÉDÉ ET SYSTÈME D'ATTERRISSAGE AUTOMATIQUE AUTONOME DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne de manière générale le domaine de l'aéronautique et plus particulièrement celui des systèmes d'atterrissage automatique. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE La phase d'atterrissage est une phase critique du vol d'un aéronef car c'est pendant celle-ci qu'interviennent la plupart des incidents et accidents. Pour faciliter la tâche des pilotes, de nombreux systèmes d'atterrissage automatique ont été proposés. On connaît notamment le système d'atterrissage aux instruments ou ILS (Instrument Landing System) équipant les avions de ligne de grande capacité et dont les infrastructures au sol sont présentes dans les aéroports internationaux. Le système d'atterrissage hyperfréquence MLS (Microwave Landing System) est également disponible dans certains aéroports européens. Ces systèmes utilisent des signaux radio ou hyperfréquence pour guider l'aéronef dans sa phase d'approche à la fois latéralement, par rapport à l'axe de la piste et verticalement par rapport au plan d'approche (gilde path). Ils présentent toutefois l'inconvénient de ne pas être disponibles dans tous les aéroports en raison notamment de leurs coûts élevés et de présenter des contraintes d'utilisation fortes. En outre, les infrastructures au sol présentent une probabilité de panne de l'ordre de 10-3/heure. Les aéronefs ne peuvent donc être certains de pouvoir effectuer un atterrissage en mode automatique. Plus récemment sont apparus des systèmes d'atterrissage automatique utilisant un positionnement satellitaire, dénommés GLS (GPS Landing System) ou encore SLS (Satellite-based Landing System). Les systèmes de positionnement satellitaires actuels ne permettant pas d'obtenir la précision requise pour effectuer un atterrissage, ceux-ci doivent être augmentés par des stations de référence au sol telles que celles du réseau WAAS (Wide Area Augmentation System) ou EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service). Ces systèmes sont encore peu répandus et présentent un taux de disponibilité relativement faibles (de l'ordre de 99,5%) ce qui ne permet pas, là-encore, de garantir en permanence un atterrissage en mode automatique.

En raison de l'indisponibilité spatiale et temporelle de telles infrastructures au sol, l'intérêt s'est porté sur des systèmes d'atterrissage autonomes, utilisant des images vidéo du sol prises par une caméra embarquée. Ces systèmes autonomes utilisent généralement les images vidéo prises par la caméra et des informations relatives à la piste pour estimer la pose de la caméra (pose estimation) et en déduire l'attitude et la position de l'aéronef par rapport à la piste. Les ordres de guidage de l'aéronef sont ensuite calculés à partir de la position et de l'attitude ainsi déterminées. Toutefois, l'estimation de la pose est une opération complexe, qui nécessite généralement de disposer d'un modèle numérique embarqué de la topographie de l'aéroport ou à tout le moins d'informations géométriques et topographiques relatives à la piste d'atterrissage. En outre, lorsque la base de données contenant le modèle numérique est indisponible ou en cas d'atterrissage d'urgence sur un terrain quelconque, les systèmes autonomes précités sont inopérants. La demande FR-A-2835314 déposée par la présente demanderesse propose un système d'aide à l'atterrissage ne nécessitant pas de connaître les caractéristiques de la piste d'atterrissage. Toutefois, ce système ne fonctionne que lorsque l'aéronef est à quelques mètres du sol et ne permet pas de guider l'aéronef tout au long l'approche finale, c'est-à-dire lors des dix derniers kilomètres environ. L'objet de la présente invention est de proposer un système d'atterrissage automatique d'un aéronef qui soit particulièrement robuste, puisse fonctionner en absence totale ou partielle d'informations sur la piste d'atterrissage, et le guider de manière autonome tout au long de l'approche finale.

EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention est définie par un système d'atterrissage automatique d'un aéronef sur une piste d'atterrissage comprenant : - au moins une caméra vidéo embarquée à bord dudit aéronef destinée à prendre une série d'images successives du sol ; - des moyens de traitement d'images adaptés à extraire desdites images des éléments visuels caractéristiques de la piste d'atterrissage ; - des moyens de guidage adaptés à déterminer des ordres de guidage de l'aéronef pour l'amener dans un plan d'approche nominal et l'aligner dans l'axe de la 10 piste d'atterrissage, à partir des positions respectives des éléments visuels caractéristiques de la piste d'atterrissage dans au moins l'une desdites images. Ainsi, les ordres de guidage de l'aéronef pendant la phase d'approche ne sont élaborés que sur la base des positions des éléments visuels caractéristiques de la piste dans l'image et ne nécessitent pas de connaissances de ses données géométriques et/ou 15 topographiques. Dans un premier mode de réalisation, les ordres de guidage sont obtenus par un asservissement visuel (image based visual servoing) des éléments visuels caractéristiques de la piste dans l'image. Dans ce premier mode de réalisation, les moyens de guidage sont constitués par 20 des moyens d'asservissement visuel adaptés à estimer un écart entre les positions des éléments visuels caractéristiques et les positions de consigne de ces éléments dans une image et à en déduire des ordres de guidage de l'aéronef pour amener les éléments visuels caractéristiques à leurs positions de consigne respectives dans l'image. Les éléments visuels caractéristiques de la piste d'atterrissage dans une image 25 sont avantageusement l'axe de la piste et un point d'impact sur la piste. En absence de vent latéral, la position de consigne de l'axe de la piste est l'axe vertical médian de l'image et la position de consigne du point d'impact est le point d'intersection entre ledit axe vertical médian et la droite parallèle à la ligne d'horizon, située sous cette ligne à une distance de consigne de cette dernière.

Avantageusement, l'écart entre l'axe de la piste et l'axe vertical médian de l'image est estimé par la distance c/Ç2 séparant le point de fuite S2 et le point d'intersection H entre l'axe vertical médian de l'image et la ligne d'horizon, et l'angle 8, entre l'axe de la piste et un axe horizontal de l'image.

La distance de consigne est de préférence égale à dpc = f.(tan(0+ 80)- tan(0)) où f est la distance focale de la caméra, 0 est l'angle de tangage de l'aéronef et go est l'angle entre le plan d'approche nominal et le plan horizontal. Dans ce cas, les ordres de guidage de l'aéronef sont déterminés par tan (8r ,c)+ k2 Arc tan(c42 - c)+ + 1(40 Nzc=k, (d p - .e) + k6él où Oc est la vitesse de roulis de consigne, N; le facteur de charge de consigne, ço et rp respectivement l'angle de roulis et la vitesse de roulis instantanés de l'aéronef et k,, = 1,..,6 sont des réels prédéterminés,er c = 0 et da, est une valeur de consigne. La valeur de consigne Ci12c est avantageusement choisie comme une fonction croissante de la vitesse de vent latéral et nulle en absence d'un tel vent. Dans un second mode de réalisation, les ordres de guidage sont obtenus en déterminant la position et l'attitude relative de l'aéronef par rapport à la piste à partir des positions des éléments visuels caractéristiques de la piste dans l'image et en appliquant une loi de guidage. Dans ce second mode de réalisation, les moyens de guidage comprennent des moyens d'estimation de la position relative de l'aéronef par rapport à la piste, à partir des positions respectives des éléments visuels caractéristiques de la piste dans une première image et une seconde image de la série d'images successives, ainsi que le déplacement de l'aéronef entre la prise de la première image et la prise de la seconde image, les moyens de guidage comprenant en outre un calculateur de guidage adapté à calculer les ordres de guidage à partir de la position relative ainsi calculée.

Avantageusement, le déplacement de l'aéronef entre la prise de la première image et la prise de la seconde image est fourni par une centrale inertielle de l'aéronef. La position relative de l'aéronef par rapport à la piste peut être obtenue sous la forme d'un écart vertical par rapport au plan horizontal contenant la piste, un écart longitudinal par rapport au point d'impact selon l'axe de la piste, et un écart latéral par rapport à un plan vertical passant par l'axe de la piste. Avantageusement, les éléments visuels caractéristiques de la piste sont un point d'impact Psur la piste et un point de fuite de la piste, S2. Les écarts vertical, latéral et longitudinal sont respectivement déterminés par : - xj-k -4/tante, A; 1/tante2 -1/tan vi (x, - x1)- (y2 - )/tani Ay2 = 1/tan 42 - Vtan Axe= 0; = z, 2 tan i/f2 où x2 - xi, y2 - y, z2 - Z donnent le déplacement de l'aéronef dans le repère (r, x, y, z) , entre la prise de la première image et celle de la seconde image, l'axe FX étant l'axe de la piste, l'axe lrz étant l'axe vertical et l'axe Fy étant transverse à l'axe de la piste, rialt dat tan vi , tan te2 = dalt , tan = , tan2 = -2- OÙ d9H, Cl2it sont les distances a respectives du point P à la ligne d'horizon dans les première et seconde images, et dlat , 2dlat ] verticale médiane de l'image avec la ligne d'horizon, dans les première et seconde images.

Quel que soit le mode de réalisation, les moyens de traitement d'images peuvent adaptés à identifier au moins une piste d'atterrissage dans une image. les distances respectives du point de fuite Q au point d'intersection de la ligne Selon une première variante, le système d'atterrissage comprend un dispositif d'affichage pour afficher les images de la caméra vidéo, couplé à une interface utilisateur, l'interface utilisateur permettant de sélectionner une piste d'atterrissage parmi une pluralité de pistes d'atterrissage dans une image affichée par le dispositif d'affichage.

Selon une seconde variante, les moyens de traitement d'images sont adaptés à déterminer un axe de la piste d'atterrissage et un point d'impact sur cette piste. Le système d'atterrissage automatique peut comprendre un dispositif d'affichage pour afficher les images de la caméra vidéo, couplé à une interface utilisateur, l'interface utilisateur permettant de désigner sur l'image l'axe de la piste d'atterrissage ainsi qu'un point d'impact sur cette piste. La présente invention concerne également un procédé d'atterrissage automatique d'un aéronef sur une piste d'atterrissage, comprenant : - la prise d'une série d'images successives du sol ; - un traitement d'images pour extraire desdites images des éléments visuels caractéristiques de la piste d'atterrissage ; - la détermination d'ordres de guidage de l'aéronef pour l'amener dans un plan d'approche nominal et l'aligner dans l'axe de la piste d'atterrissage, à partir des positions respectives des éléments visuels caractéristiques de la piste d'atterrissage dans au moins l'une desdites images.

Selon un premier mode de réalisation, la détermination des ordres de guidage comprend une étape d'asservissement visuel dans l'image pour estimer un écart entre les positions des éléments visuels caractéristiques et des positions de consigne de ces éléments dans l'image et à en déduire des ordres de guidage de l'aéronef pour amener les éléments visuels caractéristiques à leurs positions de consigne respectives dans l'image. Selon un second mode de réalisation, les ordres de guidage sont obtenus en : - estimant la position relative de l'aéronef par rapport à la piste à partir des positions respectives des éléments visuels caractéristiques de la piste dans une première image et une seconde image ainsi qu'à du déplacement de l'aéronef entre la prise de la première image et de la prise de la seconde image ; - calculant les ordres de guidage à partir de la position relative ainsi calculée et une loi de guidage de l'aéronef dans la phase d'approche.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention en relation avec les figures suivantes : La Fig. 1 représente un système d'atterrissage automatique selon un premier mode de réalisation de l'invention ; La Fig. 2 représente un écran d'affichage sur lequel une piste d'atterrissage a été identifiée par les moyens de traitement d'images ; La Fig. 3 illustre la formation de l'image de la piste d'atterrissage dans le plan image de la caméra vidéo embarquée ; La Fig. 4 représente l'écran d'affichage lorsque les éléments visuels caractéristiques de la piste sont asservis à leurs positions de consigne en absence de vent latéral ; La Fig. 5 représente un système d'atterrissage automatique selon un second mode de réalisation de l'invention ; Les Figs. 6A et 6B représentent des éléments visuels caractéristiques de la piste pour deux images vidéo successives ; Les Figs. 7 et 8 illustrent en vue latérale et en vue de dessus la position relative de l'aéronef par rapport à une piste d'atterrissage.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Nous considérerons dans la suite un système d'atterrissage automatique utilisant les images prises par au moins une caméra vidéo embarquée à bord d'un aéronef. Par système d'atterrissage automatique nous entendons dans la suite aussi bien un système permettant à l'aéronef de se poser sur la piste d'atterrissage sans intervention du pilote (Automatic Landing System) qu'un système aidant le pilote (Aided Landing System) lors de l'atterrissage. En particulier, le pilote pourra à tout moment corriger les commandes générées par le système d'atterrissage automatique en fonction d'indications visuelles.

Le système d'atterrissage automatique selon l'invention permet de guider ou d'assister le pilote tout au long de l'approche finale. Il peut fonctionner dès qu'une piste d'atterrissage a été identifiée (atterrissage conventionnel sur une piste d'aéroport), par exemple au moyen d'un traitement d'images ou bien désignée par le pilote, notamment en cas d'atterrissage d'urgence sur une piste improvisée.

La Fig. 1 représente schématiquement un système d'atterrissage automatique selon un premier mode de réalisation de l'invention. Le système d'atterrissage automatique, 100, comprend au moins une caméra vidéo, 110, embarquée à bord de l'aéronef, adaptée à prendre des images successives du sol. La caméra embarquée peut avantageusement être une caméra d'un système EVS (Enhanced Vision System) équipant la plupart des aéronefs de construction récente. Ce système est généralement constitué d'une pluralité de capteurs (caméras IR/visible, radar millimétrique, etc.) capables de fournir au pilote des images du sol dans des conditions de visibilité réduite. Nous désignerons dans la suite par caméra, un capteur fournissant des images dans une ou plusieurs bande(s) spectrale(s) (visible, infrarouge, millimétrique par exemple). Sans perte de généralité, nous supposerons également dans la suite que l'axe de la caméra est confondu avec l'axe longitudinal de l'aéronef. De manière générale, l'axe de la caméra est situé dans le plan de symétrie vertical de l'aéronef et peut présenter avec l'axe longitudinal précité un écart angulaire Ocani connu, de sorte qu'il est toujours possible de se ramener à l'hypothèse précédente d'écart angulaire nul. Les caractéristiques intrinsèques de la caméra (en particulier sa distance focale) sont supposées connues. D'autre part, la position angulaire de la caméra dans le plan vertical de symétrie de l'aéronef, à savoir l'angle Ocam entre l'axe de la caméra et l'axe longitudinal de l'aéronef, est également supposée connue. Le cas échéant, l'aéronef peut être équipé d'un couple de caméras de caractéristiques intrinsèques identiques, dont les axes sont situés de part et d'autre du plan vertical de symétrie de l'aéronef. Ce couple de caméras permet alors d'obtenir une vision 3D du sol, de manière connue en soi. Des moyens de traitement d'images, 120, reçoivent les images successives prises par la caméra, en extraient des éléments visuels caractéristiques (visual features), VF,...,VFN, d'une piste d'atterrissage lorsque celle-ci y est présente, et les poursuivent au sein d'images successives. Optionnellement, les moyens de traitement d'images peuvent détecter la présence d'une ou de plusieurs piste(s) d'atterrissage présente(s) dans l'image, avantageusement au moyen d'une détection de paires de segments comme décrit dans la demande FR-A-2835314 précitée.

Les éléments visuels caractéristiques extraits par les moyens de traitement d'images sont fournis à des moyens d'asservissement visuel (image based visual servoing), 130, estimant l'écart, au sein d'une image, entre les positions des éléments visuels caractéristiques et des positions de consigne et en déduisent des ordres de guidage de l'aéronef. Les ordres de guidage sont ensuite fournis à un calculateur de commandes de vol, 150. Dans sa forme la plus simple, le système d'atterrissage automatique selon l'invention ne comprend pas le calculateur de commandes de vol lui-même, celui-ci pouvant être simplement le système CDVE (Commandes De Vol Electriques) existant sur l'aéronef. On peut donc aisément effectuer un retrofit de l'aéronef sans avoir à modifier le système CDVE.

L'ensemble des ordres de guidage définit une loi de guidage que l'aéronef doit suivre pendant l'approche finale. Par exemple, les ordres de guidage peuvent s'exprimer sous la forme d'un facteur de charge aérodynamique et de taux angulaires (taux de roulis, tangage, lacet). Le facteur de charge aérodynamique assure par exemple que l'aéronef suit bien la trajectoire nominale de descente (gilde path) dans le plan d'approche et les taux angulaires assurent un alignement dynamique de l'aéronef par rapport à la piste.

Les moyens d'asservissement visuel, 130, sont enfin couplés à la centrale inertielle IRS (lnertial Reference System), 137. Cette centrale inertielle fournit aux moyens d'asservissement visuel des informations de position et d'attitude de l'aéronef. Ces informations de position et d'attitude sont toutefois affectées par la dérive inertielle, et, en tout état de cause insuffisamment précises pour pouvoir être exploitées directement par le calculateur de commandes de vol dans la phase d'atterrissage. Quelle que soit la configuration, le calculateur de vol, 150, calcule les commandes des actionneurs des gouvernes Wight control surfaces) à partir des ordres de guidage reçus des moyens d'asservissement visuel. Plus précisément, le calculateur de commandes de vol asservit au moyen d'une boucle de contrôle les commandes des actionneurs des gouvernes aux ordres de guidage. Le système d'atterrissage automatique 100 comprend avantageusement un dispositif d'affichage, 115 couplé à la caméra (ou aux caméras) vidéo, 110, et aux moyens de traitement d'images, 120. De préférence, le dispositif d'affichage est équipé d'un écran tactile ou d'une interface utilisateur (souris, molette, bouton etc.), 125, permettant entre autres au pilote de désigner une partie de l'image affichée. Par exemple, le dispositif pourra afficher en surbrillance sur l'image du sol, une ou des pistes d'atterrissage, voire des segments ou des points caractéristiques de ces pistes, détectés par les moyens de traitement d'images.

Le fonctionnement du système d'atterrissage automatique selon le premier mode de réalisation de l'invention sera décrit ci-après dans le cadre de deux scenarii distincts. Selon un premier scenario d'application préférentielle de l'invention, l'aéronef est en vue d'une ou de plusieurs pistes d'atterrissage mais ne dispose d'aucune information ou seulement d'informations partielles sur les caractéristiques de ces pistes, notamment leurs dimensions, altitude, orientation et position. Ce scenario couvre notamment le cas où l'aéronef n'est pas équipé d'une base de données topographiques des différents aéroports ou bien celui où la piste d'atterrissage n'est pas renseignée dans cette base ou bien encore celui où la base de données est indisponible (panne par exemple).

Le second scenario correspond à une situation d'atterrissage d'urgence. Aucune piste d'atterrissage n'est en vue du pilote et celui-ci doit alors déterminer la zone où il devra atterrir. Cette zone constitue une piste d'atterrissage improvisée et sera traitée dans la suite comme une piste d'atterrissage classique à ceci près que celle-ci sera définie par le pilote au lieu d'être reconnue par les moyens de traitement d'images. Dans le premier scenario, les moyens de traitement d'images identifient la ou les piste(s) d'atterrissage présente(s) dans l'image courante. Celles-ci sont affichées en surbrillance sur l'image vidéo, sous une forme trapézoïdale filaire ou pleine. Le pilote valide alors sur le dispositif d'affichage la piste d'atterrissage ou sélectionne parmi celles qui lui sont présentées celle sur laquelle l'aéronef devra atterrir, cette sélection pouvant être ultérieurement corrigée le cas échéant. Alternativement, la piste d'atterrissage est sélectionnée automatiquement à partir d'informations fournies par la tour de contrôle de l'aéroport. Une fois la piste d'atterrissage validée ou sélectionnée, les moyens de traitement d'images la poursuivent dans les images suivantes, à l'aide d'une méthode de prédiction linéaire, par exemple à l'aide d'un filtrage de Kalman tel que décrit dans la demande FR-A-2835314 précitée et/ou des informations de position et d'attitude de l'aéronef fournies par la centrale inertielle 137. La piste détectée peut continuer à être affichée dans les images suivantes à la demande du pilote. Il peut ainsi vérifier visuellement que la poursuite est correcte ou 2 0 changer de piste d'atterrissage, si besoin est. Les moyens de traitement d'images peuvent également identifier sur la piste d'atterrissage validée ou sélectionnée, le point d'impact d'atterrissage (touchdown point). Le point d'impact (ou zone d'impact) d'une piste d'atterrissage est signalé sur la piste au moyen d'un marquage spécifique (bandes parallèles courtes de part et d'autre de l'axe de 2 5 la piste). Une fois la piste identifiée, les moyens de traitement d'images extraient des éléments visuels caractéristiques de la piste. Ces éléments caractérisent la piste d'atterrissage dans l'image, notamment sa forme, sa position et son orientation dans l'image. Avantageusement, les éléments visuels caractéristiques de la piste sont choisis 30 comme étant la ligne médiane A de la piste et le point d'impact P sur la piste dans l'image, comme indiqué en Fig. 2. D'autres éléments visuels caractéristiques peuvent être alternativement retenus, par exemple les lignes correspondant aux bords de la piste en lieu de la ligne médiane et les points A et B appartenant aux bords de la piste, symétriques par rapport au point d'impact P et situés sur une droite parallèle à l'horizon virtuel. Dans tous les cas, les éléments visuels caractéristiques de la piste peuvent être affichés en surbrillance sur l'image vidéo à la demande du pilote. La Fig. 2 représente une piste d'atterrissage, identifiée par les moyens de traitement d'images du système d'atterrissage automatique. On a représenté sur la figure une image vidéo 200 contenant la piste. Les droites 211 et 212 en surbrillance dans l'image délimitent les bords gauche et droit de la piste et se rencontrent en un point de fuite S2 appartenant à la ligne d'horizon virtuel 250. La ligne médiane A de la piste coupe par conséquent la ligne d'horizon virtuel également au point S2. On a représenté le point d'impact P sur la ligne médiane (axe de la piste) ainsi que le segment AB parallèle à la ligne d'horizon virtuel et passant par le point d'impact P. Pour les besoins de la suite de la description, on a également noté sur la Fig. 2 la distance dQ entre le point de fuite S2 de la piste et le point H défini comme l'intersection entre la ligne d'horizon 250 avec l'axe vertical OY de symétrie de l'image, ainsi que la distance dp du point d'impact P à la ligne d'horizon 250. La ligne d'horizon virtuel est déterminée au moyen des informations d'angles de roulis et de tangage fournies par la centrale inertielle 137. La Fig. 3 illustre la formation de l'image de la piste d'atterrissage dans le plan image H de la caméra. On a adopté un modèle sténopé pour la caméra et représenté son point focal en F. On a également supposé que l'aéronef pour des raisons de simplification l'axe longitudinal était dans le plan de symétrie de la piste (plan de la figure). Le point de fuite, £2 (confondu ici avec le point H) est défini par l'intersection de l'horizontale passant par F avec le plan image H. On notera que la distance dp est liée à l'angle de tangage 0 de l'aéronef par la relation : dp = f (tan(0 - (5)- tan(0)) (1) où f est la distance focale de la caméra et c5 est l'angle entre le plan d'approche de l'aéronef et le sol. L'expression (1) suppose que l'axe de la caméra est parallèle à l'axe longitudinal de l'aéronef. Dans le cas où l'axe de la caméra présente un offset angulaire Ocam compté positivement vers le bas) avec l'axe longitudinal, cette distance s'exprime par : d, = f. (tan ((0 + 0',' + 6) - tan ( (0 + (2) Comme mentionné plus haut, on supposera dans la suite que Oemn = O. Une fois les éléments visuels caractéristiques de la piste d'atterrissage identifiés dans l'image, les moyens d'asservissement visuel estiment l'écart entre les positions de ces éléments dans l'image et des positions de consigne. Dans l'exemple décrit plus haut, les moyens d'asservissement visuel estiment l'écart entre l'axe de la piste, A, et une première droite de consigne confondue avec l'axe vertical médian de l'image (en absence de vent latéral), d'une part, et l'écart entre le point P , et une seconde droite de consigne, parallèle à l'horizon et située sous celui-ci à une distance de consigne dp, comme indiqué en Fig. 4. On a représenté sur cette figure les éléments visuels caractéristiques de la piste lorsqu'ils sont dans leurs positions de consigne (on a fait l'hypothèse d'une absence de vent latéral). L'axe de la piste A est confondu avec la première droite de consigne Ac et le point d'impact P est situé sur la seconde droite de consigne AR . Cette seconde droite de consigne est située à une distance dp, sous la ligne d'horizon. On comprendra que l'écart entre les positions des éléments visuels caractéristiques et leurs positions de consigne dans l'image est nul lorsque les conditions suivantes sont vérifiées : 0 et dçl = = 0 (3-1) dp = dp, = f.(tan(0+ 80)- tan(0)) (3-2) où 6 est l'angle nominal entre le plan d'approche et le sol, soit en règle générale = 3', et B est l'angle de tangage de l'aéronef. Dans certains cas, notamment dans des situations d'urgence, l'angle 80 peut être directement entré par le pilote au moyen de l'interface 125. On comprendra que la condition (3-1) traduit la contrainte d'alignement latéral de l'aéronef par rapport à l'axe de la piste et la condition (3-2) traduit la contrainte d'alignement vertical dans le plan d'approche nominal. La condition (3-1) suppose une absence de vent latéral. En présence de vent latéral, celui-ci est compensé en prenant une valeur de consigne cl', non nulle. Bien entendu, des conditions autres que (3-1) et (3-2) pourront être envisagées pour traduire l'écart de position par rapport à la consigne. Ainsi la condition (3-1) pourrait être remplacée par la condition : = 0 (4) où X0 et X,, sont les abscisses respectives des points n et P. En outre, si d'autres éléments visuels caractéristiques de la piste étaient pris en compte, l'homme du métier pourrait trouver d'autres conditions pour exprimer les contraintes d'alignement latéral et vertical, sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. Il est important de noter que ces conditions portent ici uniquement sur des éléments visuels caractéristiques de la piste dans l'image et ne requièrent donc pas de connaître la position, l'orientation ou les dimensions réelles de la piste. Seule la connaissance de l'angle de tangage 8 est requise, celui-ci étant fourni par la centrale inertielle ou par un inclinomètre. Les moyens d'asservissement visuel calculent, à partir de l'écart estimé, des ordres de guidage de l'aéronef de manière à amener les éléments visuels caractéristiques de la piste à leurs positions de consigne respectives.

Par exemple, lorsque les conditions (3-1) et (3-2) sont utilisées pour traduire l'écart aux positions de consigne, les ordres de guidage sont donnés par : = tan( - 0). + 1(2 Arc tan(d,, - clçu.)+ k3ço + ki(t) (5-1) N;= 1(5(cl, - ', (5-2) où Oc est le taux de roulis de consigne (roll rate demand) et N; le facteur de charge (vertical) de consigne (load factor demand). On rappelle qu'en aérodynamique, le facteur de charge est le rapport du poids apparent au poids réel. ço et 0 sont respectivement l'angle de roulis et le taux de roulis instantanés de l'aéronef et 1,..,6 sont des réels prédéterminés. On comprendra ainsi d'après l'équation (5-2) que si la distance dp est supérieure à la distance de consigne d, ou si cette distance s'accroît, les moyens d'asservissement visuel donnent pour consigne d'augmenter le facteur de charge de manière à ramener le point P sur la droite de consigne pc - Les ordres de guidage ainsi calculés sont fournis au calculateur de commandes de vol, 150. Celui-ci détermine alors les commandes à appliquer aux actionneurs des gouvernes pour satisfaire aux ordres de guidage. Le système de pilotage automatique peut notamment utiliser une loi C* pour le contrôle longitudinal et une loi Y* pour le contrôle transversal, de manière connue en soi. Ainsi, la loi C* commande les gouvernes de profondeur au moyen de : DQ = K,q+ K2nz + K3 (nz- Nzjdt + KM; (6-1) où DQ est la commande de l'actionneur de gouverne, N; est le facteur de charge de consigne précédemment calculé, nz est le facteur de charge instantané, q est la vitesse de tangage et KI K4 sont des constantes prédéterminées.

De manière similaire, la loi Y* commande les ailerons et les dérives, respectivement au moyen de : DP= 1(12 p+ icor + kie + 4.5,3 + ki60, (6-2) DR= k21p+ krf +1(240+ k',6+ k25(oc (6-3) où DP et DR sont respectivement la commande des ailerons et de la dérive, est l'angle de roulis, p est la vitesse de roulis (où p r tan(8) avec r vitesse de lacet et 0 angle d'assiette), q est la vitesse de tangage, f3 est l'angle de dérapage et les coefficients kg sont des constantes prédéterminées. Une description détaillée des lois de commande précitées pourra être trouvée dans l'article de Farineau intitulé « Lateral electric flight control laws of the A320 based upon eigenstructure assignment techniques » pubilié dans Proceedings of the AIAA GNC Conference, 2004.

Le second scenario correspond à une situation d'atterrissage d'urgence, sans piste d'atterrissage en vue. Les moyens de traitement d'images sont alors inopérants pour identifier une piste d'atterrissage et a fortiori les éléments visuels caractéristiques d'une piste. Dans ce cas, le pilote sélectionne, à l'aide de l'interface 125, le point de touché souhaité P et l'axe A de la piste improvisée, sur l'image affichée par le dispositif d'affichage 115. Cette sélection pourra par exemple être effectuée à l'aide d'un stylet sur un écran tactile, ou bien à l'aide d'un réticule mobile et d'une touche de validation, en pointant d'abord un point de touché P puis un point Q sur l'axe A désiré. Le point P et l'axe A = (PQ) constituent les éléments visuels caractéristiques de la piste improvisée. Ils sont poursuivis dans l'image par les moyens de traitement d'images et peuvent être affichés en surbrillance sur l'écran du dispositif d'affichage, de manière à permettre un contrôle visuel du pilote. La poursuite des éléments visuels caractéristiques utilise avantageusement les informations d'altitude et d'attitude de l'aéronef fournies par la centrale inertielle, 137.

Comme dans le premier scenario, les moyens d'asservissement visuel estiment l'écart entre les positions des éléments visuels caractéristiques ( P, A ) et leurs positions de consigne respectives et en déduisent des ordres de guidage de l'aéronef. Le calculateur de commandes de vol détermine les commandes de vol à partir des ordres de guidage comme exposé plus haut. La Fig. 5 représente un système d'atterrissage automatique selon un second mode de réalisation de l'invention. Comme dans le premier mode de réalisation, le système d'atterrissage, 500, comprend au moins une caméra vidéo embarquée 510, des moyens de traitement d'images 520, pour traiter des images vidéo du sol fournies par la caméra, un dispositif d'affichage 515 couplé à une interface utilisateur 525, à la caméra 510 et aux moyens de traitement d'image 520. La piste d'atterrissage peut être détectée par les moyens de traitement d'images 520, le cas échéant sur sélection du pilote ou au moyen d'une information de la tour de contrôle comme décrit supra. Alternativement, la piste peut être désignée par le pilote sur le dispositif d'affichage 515 au moyen de l'interface utilisateur 525. Les moyens de traitement d'images 520 sont en outre adaptés à extraire et poursuivre des éléments visuels caractéristiques de la piste d'atterrissage.

Avantageusement, les éléments visuels caractéristiques de la piste retenus ici sont le point d'impact sur la piste, figurant dans l'image, et le point de fuite Q de la piste. A la différence du premier mode de réalisation, le second mode de réalisation comprend des moyens d'estimation, 530, de la position relative de l'aéronef par rapport à la piste. Cette position relative est définie par un écart vertical Az (hauteur de l'aéronef par rapport à la piste), un écart longitudinal Ax (distance de l'aéronef au point d'impact, dans l'axe de la piste) et un écart latéral ou transversal Ay (distance de l'aéronef au plan vertical passant par l'axe de la piste). La position relative de l'aéronef par rapport à la piste est estimée à partir des positions des éléments visuels caractéristiques dans au moins deux images successives de la piste, ainsi que des informations de position de l'aéronef fournies par la centrale inertielle 537. Par images successives, on entend deux images séparées par une ou plusieurs période(s) à la cadence vidéo. L'estimation pourra n'être effectuée que toutes les n périodes, n étant choisi en fonction de la capacité de calcul des moyens d'estimation, de la précision requise pour la position relative, de la cadence vidéo et de la vitesse de l'aéronef.

Les moyens d'estimation de position relative, 530, transmettent les écarts vertical, Az, longitudinal, Ax, et transversal, Ay, , à un calculateur de guidage, 540. Ce calculateur de guidage peut être celui d'un système ILS (Instrument Landing System), GLS (GPS Landing System) ou SLS (Satellite Landing System). Ce calculateur calcule une loi de guidage, c'est-à-dire la trajectoire nominale que doit suivre l'aéronef pendant l'approche.

La trajectoire nominale est contenue dans le plan vertical passant par l'axe de la piste et le plan d'approche nominal. Le calculateur de guidage, 540, calcule la déviation de l'aéronef par rapport à la trajectoire nominale et en déduit les ordres de guidage pour amener l'aéronef sur cette trajectoire. Ces ordres de guidage sont ensuite transmis à un calculateur de commandes de vol 650 calculant les commandes à appliquer aux actionneurs des gouvernes pour exécuter les ordres de guidage. Les Fig. 6A et 6B représentent deux images vidéo successives du sol. On suppose que la piste d'atterrissage a été préalablement détectée par les moyens de traitement d'images, 520. On a également représenté dans ces deux images les éléments visuels caractéristiques de cette piste, à savoir le point représentatif du point d'impact (point pt en Fig. 6A et P2 en Fig. 6B) et le point de fuite de la piste (ni en Fig. 6A et 122 en Fig. 6B) extraits par les moyens de traitement d'images. On note diait C1 -12alt les distances respectives entre les points pi, p2 et la droite d'horizon, 250. De même, on note d2lat les distances respectives entre les points ni , 14 et l'axe de symétrie OY.

On a représenté en Fig. 7 une vue latérale de deux positions successives de l'aéronef dans la phase d'approche, correspondant respectivement aux instants auxquels ont été prises les images de la Fig. 6A et 6B. De même, on a représenté en Fig. 8 une vue de dessus des deux mêmes positions de l'aéronef. Dans les Figs. 7 et 8 on a indiqué par p cilat le point d'impact. Ce point est représenté par le point F; dans l'image de la Fig. 6A et le point ID, dans l'image de la Fig. 6B. On prend conventionnellement un repère (F,x,y,z) l'axe Fx étant l'axe de la piste, l'axe l'y étant transversal à la piste et l'axe Fz étant l'axe vertical.

Les écarts longitudinaux et verticaux de l'aéronef par rapport à la piste ont été représentés en Fig. 7 par Ax1 et Az, pour la première position de l'aéronef et Ax2 et Az2 pour la seconde position de l'aéronef. De même, les écarts longitudinaux et latéraux de l'aéronef par rapport à la piste ont été représentés en Fig. 8. Les écarts latéraux ont été notés Ay1 et Ay2 respectivement pour la première et la seconde positions de l'aéronef.

Les différences des écarts longitudinaux, latéraux et verticaux entre les deux positions ont été notés Ax12, Ayi2 et A 2. On a alors les relations suivantes, dans la vue latérale : d,' 4 tant/'I= = f Ax, d' Az2 tan 2 ----, 2 Axe où vi,t/f2 sont les angles d'élévation du point p dans les première et seconde positions. De manière similaire, on a les relations suivantes dans la vue de dessus : tan lat di Ayi f Axi talg = d2at = °y2 2 f Ax2 On peut montrer par des relations trigonométriques simples que la position relative de l'aéronef par rapport à la piste peut être obtenue au moyen des expressions 25 suivantes : (7-1) (7-2) 20 (8-1) (8-2) (x,-x,)-(z2- zi)/tantif, Az2 1/ tan vf 2 - tan I x, - x,) - (y2 - )/tan - 1/tan 2 - Vtan Ax =- 2 tan 1/12 où x2 -x, , y2 - y, , z2 - z1 donnent le déplacement de l'aéronef dans le repère (F, x, y, z) entre les première et seconde positions. On remarque que les expressions (9-1), (9-2) et (9-3) ne nécessitent que de connaître que le déplacement de l'aéronef et non les positions exactes de l'aéronef dans ces deux positions. Le déplacement peut ainsi être fourni par la centrale inertielle, le biais de dérive inertielle n'affectant pas le calcul. Ainsi, dans le premier scenario, après que la piste d'atterrissage a été détectée par les moyens de traitement d'images 520 et la position relative de l'aéronef par rapport à la piste a été estimée par les moyens d'estimation 530, l'aéronef est guidé sur sa trajectoire nominale grâce aux moyens de guidage 540. On notera que, comme dans le premier mode de réalisation, la connaissance des caractéristiques de la piste (dimensions, position, orientation) n'est pas nécessaire. Enfin, le second mode de réalisation peut également être utilisé dans le second scenario (atterrissage d'urgence sur une piste improvisée). Pour ce faire, le pilote désigne à l'aide de l'interface utilisateur 525, le point d'impact P souhaité et la direction de la piste, par exemple en désignant un second point Q de l'axe de la piste souhaitée. Le système d'atterrissage automatique assure le guidage de l'aéronef le long de la trajectoire d'approche nominale pour atterrir sur cette piste. 20 (9-1) (9-2) (9-3)25

Claims (20)

1. REVENDICATIONS1. Système d'atterrissage automatique d'un aéronef sur une piste d'atterrissage caractérisé en ce qu'il comprend : - au moins une caméra vidéo (110, 510) embarquée à bord dudit aéronef destinée à prendre une série d'images successives du sol ; - des moyens de traitement d'images (120, 520) adaptés à extraire desdites images des éléments visuels caractéristiques de la piste d'atterrissage ; - des moyens de guidage (130; 530, 540) adaptés à déterminer des ordres de guidage de l'aéronef pour l'amener dans un plan d'approche nominal et l'aligner dans l'axe de la piste d'atterrissage, à partir des positions respectives des éléments visuels caractéristiques de la piste d'atterrissage dans au moins l'une desdites images.
2. 2. Système d'atterrissage automatique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de guidage sont constitués par des moyens d'asservissement visuel (130) adaptés à estimer un écart entre les positions des éléments visuels caractéristiques et les positions de consigne de ces éléments dans une image et à en déduire des ordres de guidage de l'aéronef pour amener les éléments visuels caractéristiques à leurs positions de consigne respectives dans l'image.
3. 3. Système d'atterrissage automatique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les éléments visuels caractéristiques de la piste d'atterrissage dans une image sont l'axe ( A ) de la piste et un point d'impact ( P) sur la piste.
4. 4. Système d'atterrissage automatique selon la revendication 3, caractérisé en ce que, en absence de vent latéral, la position de consigne de l'axe de la piste est l'axe vertical médian de l'image et la position de consigne du point d'impact est le point d'intersection entre ledit axe vertical médian et la droite parallèle à la ligne d'horizon (250), située sous cette ligne à une distance de consigne de cette dernière.30
5. 5. Système d'atterrissage automatique selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'écart entre l'axe de la piste et l'axe vertical médian de l'image est estimé par la distance ci.Q séparant le point de fuite S-2 et le point d'intersection H entre l'axe vertical médian de l'image et la ligne d'horizon (250), et l'angle Or entre l'axe de la piste et un axe horizontal de l'image.
6. 6. Système d'atterrissage automatique selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que la distance de consigne est égale à dpc = f.(tan(8+ 80)- tan(0)) où f est la distance focale de la caméra, 0 est l'angle de tangage de l'aéronef et 50 est l'angle entre le plan d'approche nominal et le plan horizontal.
7. 7. Système d'atterrissage automatique selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que les ordres de guidage de l'aéronef sont déterminés par : = tan(Or - Or,c)+ k, Arc tan(c/Ç2 - c/R,)+ k4(o = (d p - dpc) + k6d p où 0, est la vitesse de roulis de consigne, N; le facteur de charge de consigne, 0 et 0 respectivement l'angle de roulis et la vitesse de roulis instantanés de l'aéronef et i = 1,.., 6 sont des réels prédéterminés, er, = 0 et est une valeur de consigne.
8. 8. Système d'atterrissage automatique selon la revendication 7, caractérisé en ce que la valeur de consigne cl', est une fonction croissante de la vitesse de vent latéral et nulle en absence d'un tel vent.
9. 9. Système d'atterrissage automatique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de guidage comprennent des moyens d'estimation (530) de la position relative de l'aéronef par rapport à la piste, à partir des positions respectives des élémentsvisuels caractéristiques de la piste dans une première image et une seconde image de la série d'images successives, ainsi que le déplacement de l'aéronef entre la prise de la première image et la prise de la seconde image, les moyens de guidage comprenant en outre un calculateur de guidage (540) adapté à calculer les ordres de guidage à partir de la position relative ainsi calculée.
10. 10. Système d'atterrissage automatique selon la revendication 9, caractérisé en ce que le déplacement de l'aéronef entre la prise de la première image et la prise de la seconde image est fourni par une centrale inertielle de l'aéronef.
11. 11. Système d'atterrissage automatique selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que la position relative de l'aéronef par rapport à la piste est obtenue sous la forme d'un écart vertical par rapport au plan horizontal contenant la piste, un écart longitudinal par rapport au point d'impact selon l'axe de la piste, et un écart latéral par rapport à un plan vertical passant par l'axe de la piste.
12. 12. Système d'atterrissage automatique selon la revendication 11, caractérisé en ce que les éléments visuels caractéristiques de la piste sont un point d'impact P sur la piste et un point de fuite de la piste, n
13. 13. Système d'atterrissage automatique selon la revendication 12, caractérisé en ce que les écarts vertical, latéral et longitudinal sont respectivement déterminés par : (x2 -)ç)-(z2 - )/tan 1/tanv2 -1/tan vi ( x2 - -(y2 - )/tan AY2 = 1/tan 2 -1/tan 25A.; Ax, tan v2 où x2 - x,, y2 - y, z2 - z donnent le déplacement de l'aéronef dans le repère (I-, x, y,z), entre la prise de la première image et celle de la seconde image, l'axe FX étant l'axe de la piste, l'axe Fz étant l'axe vertical et l'axe Fy étant transverse à l'axe de la piste, dan datt tdia tan vt tan 2 = 2 tan = , tan, = 2 , où die,d2e sont les distances f f respectives du point P à la ligne d'horizon dans les première et seconde images, et dtat,ddat les distances respectives du point de fuite S), au point d'intersection de la ligne verticale médiane de l'image avec la ligne d'horizon, dans les première et seconde images.
14. 14. Système d'atterrissage automatique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de traitement d'images sont adaptés à identifier au moins une piste d'atterrissage dans une image.
15. 15. Système d'atterrissage automatique selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'affichage (115, 515) pour afficher les images de la caméra vidéo (110,510), couplé à une interface utilisateur (125,525), l'interface utilisateur permettant de sélectionner une piste d'atterrissage parmi une pluralité de pistes d'atterrissage dans une image affichée par le dispositif d'affichage.
16. 16. Système d'atterrissage automatique selon la revendication 14, caractérisé en ce que les moyens de traitement d'images sont adaptés à déterminer un axe de la piste d'atterrissage et un point d'impact sur cette piste.
17. 17. Système d'atterrissage automatique selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'affichage (115, 515) pour afficher les images de la caméra vidéo (110,510), couplé à une interface utilisateur (125,525),l'interface utilisateur permettant de désigner sur l'image l'axe de la piste d'atterrissage ainsi qu'un point d'impact sur cette piste.
18. 18. Procédé d'atterrissage automatique d'un aéronef sur une piste d'atterrissage, caractérisé en ce qu'il comprend : - la prise d'une série d'images successives du sol ; - un traitement d'images pour extraire desdites images des éléments visuels caractéristiques de la piste d'atterrissage ; - la détermination d'ordres de guidage de l'aéronef pour l'amener dans un plan d'approche nominal et l'aligner dans l'axe de la piste d'atterrissage, à partir des positions respectives des éléments visuels caractéristiques de la piste d'atterrissage dans au moins l'une desdites images.
19. 19. Procédé d'atterrissage automatique selon la revendication 18, caractérisé en ce que la détermination des ordres de guidage comprend une étape d'asservissement visuel dans l'image pour estimer un écart entre les positions des éléments visuels caractéristiques et des positions de consigne de ces éléments dans l'image et à en déduire des ordres de guidage de l'aéronef pour amener les éléments visuels caractéristiques à leurs positions de consigne respectives dans l'image.
20. 20. Procédé d'atterrissage automatique selon la revendication 18, caractérisé en ce que les ordres de guidage sont obtenus en : - estimant la position relative de l'aéronef par rapport à la piste à partir des positions respectives des éléments visuels caractéristiques de la piste dans une première image et une seconde image ainsi qu'à du déplacement de l'aéronef entre la prise de la première image et de la prise de la seconde image ; - calculant les ordres de guidage à partir de la position relative ainsi calculée et une loi de guidage de l'aéronef dans la phase d'approche.30