Procédé et dispositif pour déterminer les configurations de vol d'un aéronef.
La présente invention concerne un procédé pour déterminer les configurations de vol d'un aéronef, notamment un héli¬ coptère, ainsi qu'un dispositif pour la mise en oeuvre dudit procédé.
Dans le cadre de la présente invention, on entend par configuration de vol d'un aéronef une phase de vol, par exemple le décollage, l'atterrissage ou le vol en palier, présentant des caractéristiques de vol déterminées, suscep¬ tible d'être différenciée d'autres phases de vol, et pendant laquelle l'aéronef est soumis à des types de contraintes relativement constants.
La connaissance des configurations de vol de l'aéronef, par exemple la configuration de vol actuelle, est souvent nécessaire : - soit dans un but de surveillance en temps réel de l'aéro¬ nef ;
- soit dans un but de maintenance, par exemple pour détermi¬ ner si un organe particulier a été soumis à des contrain¬ tes élevées nécessitant son remplacement.
On connaît différentes méthodes pour déterminer les configu¬ rations de vol d'un aéronef.
En premier lieu, on connaît des méthodes mettant en oeuvre des réseaux de neurones qui déterminent les configurations de vol à partir de mesures effectuées en vol et de coeffi- cients prédéterminés stockés. La phase de détermination et de stockage de ces coefficients est longue et fastidieuse. De plus, une fois établies, ces méthodes peuvent être très difficilement modifiées, par exemple pour être adaptées à des connaissances nouvelles ou à des modifications techni- ques de l'aéronef.
En second lieu, on connaît une méthode basée sur l'intelli¬ gence artificielle et utilisant essentiellement des données empiriques. Cette méthode nécessite également une mise en oeuvre longue et ne permet pas de reconnaître toutes les configurations de vol possibles.
On peut également citer une méthode basée sur l'analyse de données, en particulier de paramètres de vol spécifiques, méthode qui ne présente toutefois pas une précision complè¬ tement satisfaisante.
La présente invention a pour objet de remédier à ces in¬ convénients. Elle concerne un procédé permettant de détermi¬ ner, de façon rapide et précise, les configurations de vol d'un aéronef, en particulier un hélicoptère.
A cet effet, ledit procédé est remarquable selon l'inven- tion :
- en ce que, dans une étape préliminaire :
. on définit les différentes configurations de vol suppo¬ sées possibles pour ledit aéronef ; . on détermine une pluralité de phases de vol représenta- tives desdites configurations de vol ;
. on détermine une pluralité de paramètres caractéristi¬ ques susceptibles d'être mesurés sur l'aéronef ; . on mesure sur ledit aéronef, pour chacune desdites phases de vol, les valeurs desdits paramètres ; et . pour chacune desdites configurations de vol, on calcule dans un système métrique déterminé, à partir desdites valeurs mesurées des paramètres pour les phases de vol représentatives, un indice de flou qui est représentatif de la situation de ladite configuration de vol dans ledit système métrique ; et
- en ce que, pour une phase de vol dudit aéronef à définir : . au cours de ladite phase de vol, on mesure les valeurs desdits paramètres caractéristiques ;
. à partir desdites valeurs mesurées, on détermine dans ledit système métrique, parmi lesdites configurations de vol définies, les n configurations de vol les plus proches de ladite phase de vol, n étant un nombre entier prédéfini ;
. on détermine une fonction d'appartenance de ladite phase de vol respectivement par rapport à chacune desdites n configurations de vol les plus proches ; et
. on déduit, à partir des fonctions d'appartenance ainsi déterminées et des indices de flou de ces n configura¬ tions de vol les plus proches, la configuration de vol de laquelle fait partie le cas échéant ladite phase de vol.
Ainsi, grâce à l'invention, les configurations de vol d'un aéronef peuvent être déterminées de façon quasi-continue et précise, en effectuant l'essentiel des traitements sur un nombre n limité de configurations de vol prédéfinies.
De plus, comme on le verra ci-après, le procédé conforme à 1'invention peut être perfectionné lors de sa mise en oeuvre, en permettant en particulier l'intégration de nouvelles configurations de vol non définies dans ladite étape préliminaire.
De façon avantageuse, pour calculer l'indice de flou d'une configuration de vol : - on détermine dans ledit système métrique, à partir des valeurs mesurées desdits paramètres, les positions des phases de vol représentatives de ladite configuration de vol ;
- à partir des positions ainsi déterminées, on calcule dans ledit système métrique le centre de gravité de ces posi¬ tions, correspondant au centre de gravité de ladite configuration de vol ;
- on détermine, pour chacune desdites phases de vol repré¬ sentatives, dans ledit système métrique, la distance entre ledit centre de gravité et la position de ladite phase de vol ; - on détermine, pour chacune desdites phases de vol, à partir de la distance correspondante ainsi déterminée, la fonction d'appartenance à ladite configuration de vol ; et
- à partir des fonctions d'appartenance ainsi déterminées, on calcule ledit indice de flou.
En outre, pour une phase de vol déterminée de distance D(Xj,Ci) au centre de gravité de la configuration de vol correspondante, la fonction d'appartenance μ(Xj) est définie de façon avantageuse par la relation : μ(Xj) = exp(-D(Xj,Ci)), tandis que la valeur de flou v(Ci) d'une configuration de vol est définie avantageusement par la relation : j=L (Ci) = M. Σ S(μ(Xj)) j=l dans laquelle :
- M est un coefficient prédéfini, - L est le nombre de phases de vol considérées représentati¬ ves de ladite configuration de vol,
- μ(Xj) représente la fonction d'appartenance d'une phase de vol à ladite configuration de vol, et
- S(x) est la fonction entropique de Shannon, définie par : S(x) = -x.Log(x) - (1-x) .Log(l-x) .
Par ailleurs, pour déterminer les n configurations de vol les plus proches d'une phase de vol, avantageusement :
- pour toutes les configurations de vol définies, on calcule dans ledit système métrique la distance entre ladite phase de vol et le centre de gravité de la configuration de vol considérée ;
- on compare entre elles les distances ainsi calculées ; et
- on retient les n configurations de vol présentant les distances les plus faibles.
Dans un premier mode de réalisation avantageux, la distance définie précédemment entre une phase de vol et une configu¬ ration de vol correspond à la distance statistique de Mahalanobis dans le système métrique correspondant, tandis que, dans un second mode de réalisation avantageux, ladite distance est calculée à partir de la relation :
dans laquelle :
- Xj est la position de ladite phase de vol dans ledit système métrique,
- R est la position du centre de gravité de ladite configu¬ ration de vol dans ledit système métrique, - t est un coefficient prédéfini, et
- σ représente la matrice diagonale des variances de ladite configuration de vol.
Par ailleurs, dans un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention, pour déduire la configuration de vol à partir des fonctions d'appartenance et des indices de flou :
- on recherche parmi les n configurations de vol les plus proches, celles pour lesquelles la fonction d'appartenance de la phase de vol est supérieure ou égale au produit K.v(Ci), dans lequel K représente un coefficient inférieur ou égal à 1, de préférence égal à 0,85, et v (Ci) est l'indice de flou calculé ; et
- on déduit :
. si une seule configuration de vol satisfait à la condi- tion précédente, que la phase de vol fait partie de cette configuration de vol ; . si plusieurs configurations de vol satisfont à la condition précédente, que la phase de vol fait partie de
la configuration de vol pour laquelle la fonction d'appartenance est la plus élevée ; et . si aucune configuration de vol ne satisfait à la condi¬ tion précédente, que ladite phase de vol ne fait partie d'aucune desdites configurations de vol définies.
Ceci concerne en particulier les configurations de transition (évolutions progressives des conditions de vol) et celle choisie correspond à l'endommagement de la configuration dont la fonction d'appartenance est la plus élevée.
En outre, de façon avantageuse, une phase de vol qui ne fait partie d'aucune configuration de vol définie est considérée comme une nouvelle configuration de vol utilisée lors de mises en oeuvre ultérieures dudit procédé, ce qui permet de perfectionner ledit procédé en intégrant dans celui-ci des configurations de vol non prises en compte initialement.
De préférence, on utilise comme configurations de vol différentes au moins certaines des phases de vol suivantes de l'aéronef : le décollage, la montée, le maintien en palier, la prise de virages, la descente, l'approche et 1'atterrissage.
De plus, on utilise de préférence comme paramètres caracté¬ ristiques à mesurer au moins certains des paramètres sui¬ vants de l'aéronef : le facteur de charge, la vitesse, la température, l'altitude, le dérapage en lacet, l'assiette longitudinale, l'assiette latérale, la vitesse angulaire de lacet, les commandes de vol, la masse et la commande de lacet.
A cette liste de paramètres caractéristiques, on peut ajouter avantageusement, dans le cas d'un hélicoptère, au moins certains des paramètres suivants : le régime du rotor
principal, la correction du palonnier, la puissance du rotor principal et la puissance du rotor arrière de l'hélicoptère.
La présente invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre dudit procédé précité.
Selon l'invention, ledit dispositif est remarquable en ce qu'il comporte :
- un premier calculateur susceptible de calculer l'indice de flou de chacune des configurations de vol définies ;
- un second calculateur susceptible de calculer les fonc- tions d'appartenance d'une phase de vol à définir aux n configurations de vol les plus proches ; et
- un calculateur central relié auxdits premier et second calculateurs et susceptible de déterminer la configuration de vol de laquelle fait partie ladite phase de vol à définir.
Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des réfé¬ rences identiques désignent des éléments semblables.
La figure 1 est le schéma synoptique d'un dispositif confor- me à l'invention.
La figure 2 illustre, à partir d'un graphique, les relations entre différentes valeurs calculées lors de la mise en oeuvre de l'invention.
Le dispositif 1 conforme à l'invention et représenté schéma- tiquement sur la figure 1 est destiné à déterminer les configurations de vol d'un aéronef, en particulier un hélicoptère.
Une configuration de vol d'un aéronef correspond à une phase de vol présentant des caractéristiques de vol uniformes et
pendant laquelle l'aéronef est généralement soumis à des types de contraintes relativement constants. Il peut s'agir par exemple du décollage ou de la montée dudit aéronef. On précisera ci-après un choix préférentiel de configurations de vol, dans un mode de réalisation avantageux de l'inven¬ tion.
La connaissance des configurations de vol de l'aéronef, par exemple la configuration de vol actuelle, est généralement nécessaire : - en temps réel, pour le pilote ou pour des dispositifs embarqués, en particulier pour des raisons de surveillance de l'aéronef ; et/ou
- au retour au sol, pour des dispositifs ou des opérateurs au sol, en particulier pour des raisons de vérification et de maintenance dudit aéronef.
La présente invention concerne un procédé permettant de déterminer de façon rapide et précise les configurations de vol d'un aéronef. Ledit procédé présente à cet effet deux étapes, à savoir une première étape (ou étape préliminaire) permettant de définir différentes configurations de vol distinctes et spécifiques et de leur associer des éléments de reconnaissance caractéristiques, et une seconde étape permettant d'associer une phase de vol à caractériser à l'une des configurations de vol ainsi définies.
Selon l'invention, ladite première étape du procédé présente les opérations suivantes :
- on définit les différentes configurations de vol supposées possibles pour ledit aéronef ;
- on détermine une pluralité de phases de vol représentati- ves desdites configurations de vol ;
- on détermine une pluralité de paramètres caractéristiques susceptibles d'être mesurés sur l'aéronef ;
- on mesure sur ledit aéronef, pour chacune desdites phases de vol, les valeurs desdits paramètres ; et
- pour chacune desdites configurations de vol, on calcule dans un système métrique déterminé, à partir desdites valeurs mesurées des paramètres pour les phases de vol représentatives, un indice de flou qui est représentatif de la situation de ladite configuration de vol dans ledit système métrique déterminé, tel que précisé ci-dessous.
De préférence, on utilise selon l'invention, comme configu- rations de vol différentes, au moins certaines des phases de vol suivantes de l'aéronef : le décollage, la montée, le maintien en palier, la prisé de virages, la descente, l'approche et l'atterrissage. Les configurations retenues sont celles utilisées pour le dimensionnement des pièces et désignées par spectre standard de vol ou spectre de référence.
Pour chacune de ces configurations de vol, on détermine donc des phases de vol représentatives. Ainsi, à titre d'exemple, pour le décollage, on peut choisir au moins certaines des phases de vol différentes suivantes :
- des décollages en mode normal : de façon standard, à droite, à gauche, avec du vent latéral et/ou du vent axial ;
- des décollages selon une pente maximale : de nouveau sous différentes conditions possibles de vent et de direction d'envol ; et
- des décollages selon une pente minimale.
On fait ensuite effectuer à l'aéronef les phases de vol choisies et on mesure sur ledit aéronef, au cours de l'exé- cution de ces phases de vol, les valeurs d'une pluralité de paramètres prédéterminés, dont de préférence au moins certains des paramètres suivants : le facteur de charge, la vitesse, la température, l'altitude, le dérapage en lacet.
l'assiette longitudinale, l'assiette latérale, la vitesse angulaire de lacet, les commandes de vol, la masse et la commande de lacet.
Dans le cas d'un hélicoptère, on peut utiliser en plus des paramètres précédents, au moins certains des paramètres suivants : le régime du rotor principal, la correction du palonnier, la puissance du rotor principal et la puissance du rotor arrière.
Selon l'invention, pour déterminer l'indice de flou (Ci) d'une configuration de vol Ci, i = 1 à p, p_ étant le nombre de configurations de vol différentes définies, on effectue dans ledit système métrique qui est défini par m axes discriminants les opérations suivantes :
- on calcule dans ledit système métrique le centre de gravité R de ladite configuration de vol à partir de la relation : j=L R = ( Σ Xj ) / L j=l L étant le nombre de phases de vol représentatives asso¬ ciées à ladite configuration de vol, au cours desquelles on a effectué les mesures desdits paramètres, et Xj étant la position dans ledit système métrique d'une desdites L phases de vol, position qui est déterminée à partir des mesures desdits paramètres ;
- on calcule, pour chacune desdites phases de vol considé- rées, la distance D(Xj,Ci) entre sa position Xj et ledit centre de gravité R à partir de la relation :
D(Xj,Ci) = V (Xj-R)*.σ"1. (Xj-R) dans laquelle : . t est un coefficient prédéfini, et
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. σ représente la matrice diagonale des variances de la configuration de vol Ci ;
- on calcule, pour chacune desdites L phases de vol considé¬ rées, une fonction d'appartenance μ(Xj) de ladite phase de vol à ladite configuration de vol Ci à partir de la relation : μ(Xj) = exp (-D(Xj,Ci))
- à partir des fonctions d'appartenance desdites L phases de vol considérées, on calcule l'indice de flou (Ci) qui est défini par la relation : j=L v(Ci) = M. Σ S(μ(Xj)) 3=1 dans laquelle :
. M est un coefficient prédéfini, et
. S(x) est une fonction qui est connue sous le nom de fonction de Shannon et qui est définie par :
S(x) = -x.Log(x) - (1-x) .Log(l-x) .
Comme on peut le voir sur la figure 2, qui illustre les relations entre certains des termes précédents :
- la fonction d'appartenance μ(Xj) d'une phase de vol à une configuration de vol est comprise entre 0 et 1. Pour μ(Xj) = 0, on est sûr que ladite phase de vol ne fait pas partie de cette configuration de vol, tandis que pour μ(Xj) = 1, on est sûr qu'elle en fait partie ;
- l'indice de flou v est nul lorsque μ(Xj) est égal à 0 ou 1, car il n'existe alors aucune incertitude quant à l'appartenance, et il est maximal (vmax) lorsque μ(Xj) = \ et que l'incertitude est la plus élevée ;
- la distance D(Xj,Ci) entre une phase de vol et une confi¬ guration de vol : . est nulle, lorsque ladite phase de vol fait partie de cette configuration de vol (μ(Xj) = 1) ; et
. est maximale, lorsque ladite phase de vol ne fait pas partie de cette configuration de vol (μ(Xj) = 0).
Cette première étape du procédé conforme à l'invention, telle que décrite précédemment, est mise en oeuvre par un calculateur 2 du dispositif 1 qui reçoit par l'intermédiaire d'une liaison 3 les mesures des paramètres caractéristiques, effectuées au cours desdites phases de vol. Ladite liaison 3 est reliée à cet effet :
- soit simultanément à différents dispositifs de mesure non représentés effectuant lesdites mesures,
- soit à un système centralisé non représenté regroupant lesdites mesures.
On décrit à présent la seconde étape du procédé conforme à 1'invention permettant de déterminer à laquelle desdites configurations de vol définies précédemment appartient une phase de vol à définir.
A cet effet, selon l'invention :
- au cours de ladite phase de vol à définir, on mesure les valeurs desdits paramètres caractéristiques ; - à partir desdites valeurs mesurées, on détermine dans ledit système métrique, parmi les configurations de vol définies précédemment, les n configurations de vol les plus proches de ladite phase de vol, n étant un nombre entier prédéfini qui est de préférence égal au nombre de degrés de libertés dudit système métrique, c'est-à-dire au nombre d'axes discriminants dudit système métrique, à savoir m dans le présent exemple ;
- pour ces n configurations de vol, on détermine la fonction d'appartenance correspondante de ladite phase de vol, telle que définie précédemment ; et
- à partir desdites fonctions d'appartenance déterminées et à partir des indices de flou desdites n configurations de
vol, on détermine le cas échéant la configuration de vol de laquelle fait partie ladite phase de vol.
Pour déterminer les n configurations de vol les plus pro¬ ches : - on calcule dans ledit système métrique, pour chacune des configurations de vol définies, la distance entre le centre de gravité de ladite configuration de vol et la position de ladite phase de vol, déterminée à partir des mesures desdits paramètres caractéristiques. Ce calcul de distance est effectué en utilisant, soit la distance statistique de Mahalanobis, soit la distance D(Xj,Ci) définie précédemment ;
- on compare entre elles les distances ainsi calculées ; et
- on sélectionne les n configurations de vol présentant les distances les plus faibles.
Les opérations précédentes sont effectuées par un calcula¬ teur 4 du dispositif 1 conforme à l'invention, qui reçoit les mesures des paramètres caractéristiques par l'intermé¬ diaire d'une liaison 5 et qui transmet les résultats par l'intermédiaire d'une liaison 7 à un calculateur central 8, ledit calculateur central 8 recevant en outre, par l'inter¬ médiaire d'une liaison 6, les résultats des traitements décrits précédemment du calculateur 2.
Ledit calculateur central 8 recherche alors, parmi lesdites n configurations de vol les plus proches, celles pour lesquelles la fonction d'appartenance reçue du calculateur 4 est supérieure ou égale au produit K.v(Ci), dans lequel K représente un coefficient inférieur ou égal à 1 et (Ci) est l'indice de flou calculé et transmis par le calculateur 2, et il en déduit :
- si une seule configuration de vol satisfait à la condition précédente, que la phase de vol fait partie de cette configuration de vol ;
- si plusieurs configurations de vol satisfont à la condi¬ tion précédente, que la phase de vol fait partie de la configuration de vol pour laquelle la fonction d'apparte¬ nance est la plus élevée ; et - si aucune configuration ne satisfait à la condition précédente, que ladite phase de vol ne fait partie d'au¬ cune des configurations de vol définies dans la première étape du procédé conforme à l'invention.
Dans ce dernier cas, on conclut que : - soit une erreur est apparue dans la mise en oeuvre de l'invention, par exemple une erreur de mesure,
- soit ladite phase de vol fait partie d'une configuration de vol nouvelle, différente des configurations de vol prédéfinies.
On notera que dans le cadre de l'invention, le coefficient K est de préférence choisi égal à 0,85.
Le dispositif 1 peut transmettre les résultats obtenus par l'intermédiaire d'une liaison 9 à des dispositifs utilisa¬ teurs non représentés, par exemple un dispositif d'affichage ou une mémoire de stockage.
La présente invention décrite précédemment comporte de nombreux avantages. Elle est en particulier précise et sa mise en oeuvre est très rapide.
De plus, le dispositif 1 permet d'affiner et d'enrichir le procédé conforme à l'invention d'une double manière, tel que précisé ci-dessous, par l'intermédiaire d'une liaison 10 permettant de transmettre des données du calculateur central 8 au calculateur 2.
Ainsi, d'une part, lorsqu'une phase de vol est classée de la manière décrite précédemment dans une configuration de vol
déterminée, ledit calculateur central 8 peut transmettre les caractéristiques de ladite phase de vol audit calculateur 2 qui associe alors cette phase de vol à ladite configuration de vol. Cette association suppose que le calculateur 2 détermine le nouveau centre de gravité et le nouvel indice de flou de cette configuration de vol, ce qui permet d'affi¬ ner ces valeurs qui sont ensuite utilisées lors de mises en oeuvre ultérieures du procédé conforme à l'invention.
Cette opération de prise en compte d'une phase de vol peut être réalisée, soit indéfiniment, soit jusqu'à ce que le nombre de phases de vol associées à une configuration de vol soit égal à une valeur déterminée.
D'autre part, dans le cas où le calculateur central 8 conclut qu'une phase de vol déterminée ne fait partie d'aucune configuration de vol définie, il transmet, dans un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'inven¬ tion, les caractéristiques de cette phase de vol au calcula¬ teur 2 qui la considère comme une nouvelle configuration de vol. Ceci permet d'enrichir le procédé conforme à l'inven- tion par des configurations de vol qui n'ont pas été défi¬ nies dans la première étape dudit procédé. Ainsi, l'inven¬ tion peut être perfectionnée au fur et à mesure de sa mise en oeuvre.
Selon l'invention, le dispositif 1 peut être utilisé de différentes manières.
Ainsi, dans un premier mode de réalisation, ledit dispositif 1 est entièrement embarqué à bord de l'aéronef, ce qui permet d'obtenir en temps réel les résultats décrits précé¬ demment, qui sont ensuite transmis au pilote ou à des dispositifs, par exemple des dispositifs de surveillance, dudit aéronef.
Dans un deuxième mode de réalisation, permettant également d'obtenir les résultats en temps réel, on embarque unique¬ ment le calculateur 4 et le calculateur central 8 dudit dispositif 1, tandis que le calculateur 2 effectue ses opérations au sol, dont les résultats sont enregistrés dans une mémoire non représentée qui est également embarquée et qui est reliée au calculateur central 8 susceptible de la consulter.
Finalement, dans un troisième mode de réalisation, ledit dispositif 1 reste au sol, tandis que l'aéronef embarque une mémoire non représentée qui est reliée aux différents dispositifs de mesure desdits paramètres caractéristiques et qui enregistre les mesures effectuées. Les résultats enre¬ gistrés sont transmis à la fin de la mission de l'aéronef au dispositif 1 qui effectue alors les traitements au sol. L'enregistrement peut par exemple être effectué sur un support rigide, en particulier une disquette, susceptible d'être utilisé par ledit dispositif 1.
Ces différents modes de réalisation permettent de bien mettre en évidence les nombreux avantages de la présente invention.