Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02282088 1999-08-19
WO 99/34163 PCT/FR98/02846
SIMULATEUR DE TIR DE MISSILES
AVEC IMMERSION DU TIREUR DANS UN ESPACE VIRTUEL
DESCRIPTION
Domaine de l'invention
L'invention concerne un simulateur de tir
de missiles pour entraîner des tireurs au tir de
missiles en les immergeant dans un espace virtuel et en
leur proposant différents scénarios.
Etat de la technique
Pour l'entraînement des tireurs (appelés
aussi "élèves") au tir de missiles, il est connu
d'utiliser des dispositifs de simulation. Ceux-ci
permettent de former des tireurs en leur apprenant à
pointer et à tirer sur une cible sans pour autant
utiliser des projectiles réels et, en particulier, des
missiles. Généralement, dans ces dispositifs de
simulation, le projectile est un projectile fictif ; un
calculateur assure la définition de la position du
projectile fictif, compare cette position avec celle de
la cible visée, puis apprécie la qualité du tir en
déterminant, notamment, si le pointage (ou visée)
permettrait, si le tir était réel, de conduire le
projectile à un impact sur la cible.
Il existe actuellement des systèmes de
simulation basés sur l'association d'un système laser
permettant la localisation de la direction de visée du
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tireur avec une restitution vidéo effectuée soit par
projection du paysage visualisé par le tireur sur un
écran, soit par le renvoi de ce paysage sur un
micromoniteur intégré au poste de tir. De tels
dispositifs sont décrits notamment dans les demandes de
brevets FR-A-2 531 201, EP-A-0 151 053 et
EP-A-0 100 719 de GIRAVIONS DORAND S. A.
Dans ces dispositifs, la position du tireur
est figée, ce qui entraîne que seuls les mouvements
angulaires du poste de tir sont autorisés. Or, il est
important que le tireur ait une vue élargie du champ de
tir et qu'il ne se limite pas à inspecter le secteur
qui se trouve juste devant lui. En effet, au départ de
l'exercice, plusieurs positions, par défaut, sont
autorisées au tireur, qui doivent être conservées
pendant toute la durée du tir. Cependant, pour les
positions debout ou à genoux, il est impossible de
garantir que l'élève conservera ces positions initiales
durant toute la durée du tir. Une modification de ces
positions initiales entraîne donc des erreurs sur le
guidage du missile. En outre, avant de lancer
l'exercice de tir, le simulateur doit être harmonisé de
façon à assurer la mise en correspondance de l'image
projetée, ou renvoyée dans le micromoniteur, avec
l'espace d'acquisition de la caméra qui repère le
faisceau laser lié à l'élève. De plus, l'élève peut
éprouver des sensations de malaise dues au décalage
existant entre ce qu'il ressent au moment du tir et ce
qu'il voit sur l'écran.
De tels dispositifs présentent donc
l'inconvénient de ne pas offrir un réalisme et un
confort d'utilisation suffisant pour les tireurs.
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Ces dispositifs présentent, de plus,
l'inconvénient de nécessiter l'emploi d'un système
laser, ainsi que d'une caméra d'acquisition, ce qui
entraîne des difficultés d'harmonisation et de mise en
oeuvre.
Exposé de l'invention
L'invention a justement pour but de
remédier aux inconvénients des dispositifs décrits
précédemment. A cette fin, elle propose un dispositif
de simulation de tir de missiles à l'épaulée ou sur
trépied visant à améliorer le réalisme et le confort
d'utilisation des tireurs lors de leur entraînement en
les immergeant dans un espace virtuel.
De façon plus précise, l'invention concerne
un simulateur de tir de missiles pour l'entraînement de
tireurs de missiles à l'épaulée ou sur trépied, sur des
cibles fixes ou mobiles, qui comporte :
- au moins un poste de tir muni de moyens
de déclenchement de tirs fictifs ;
- des moyens d'affichage d'images ;
- des moyens de traitement d'images ; et
- un poste instructeur,
caractérisé en ce que :
- le poste instructeur comporte un écran
vidéo associé à des moyens de décision à partir
desquels un instructeur choisit un scénario virtuel
relatif au champ de tir, au type de missile et aux
conditions de tir ;
- le poste de tir comporte des moyens de
localisation spatiale ;
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- les moyens d'affichage d'images
comprennent un dispositif de visualisation affichant
des images virtuelles, en grandeur réelle,
représentatives du champ de vision du tireur dans le
scénario choisi par l'instructeur et un micromoniteur
placé dans le poste de tir et affichant les mêmes
images que celles du dispositif de visualisation, mais
grossies selon un coefficient prédéfini ; et
- les moyens de traitement d'images
comportent une unité centrale de traitement associée à
un générateur d'images générant les images du poste
instructeur, les images du micromoniteur et les images
du dispositif de visualisation.
Avantageusement, le générateur d'images est
apte à générer deux images simultanément sur le poste
instructeur, l'une des images étant une vue de dessus
du champ de tir et l'autre image représentant le champ
de vision de l'instructeur en train d'observer la scène
du tir.
Selon l'invention, le simulateur est apte à
générer un réticule différent pour chaque type de
système d'arme. Il peut générer aussi des images du
champ de tir selon une luminosité variable,
représentative des variations climatiques et
d'ensoleillement.
Selon un mode de réalisation de
l'invention, le simulateur comporte des moyens de
restitution des perturbations provoquées par le départ
du missile.
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Selon un mode de réalisation de
l'invention, le poste instructeur comporte des moyens
de mémorisation de chaque exercice de tir pour
permettre une analyse ultérieure du résultat du tir.
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Description des dessins
- La figure 1 représente schématiquement
les différents éléments constituant le dispositif de
l'invention, ainsi que leurs connexions ; et
- la figure 2 représente schématiquement le
principe de restitution des perturbations dues au
départ du missile hors du poste de tir.
Description détaillée de modes de
réalisation de l'invention
L'invention concerne un simulateur de tir
de missiles destiné à l'entraînement de tireurs de
missiles sur cibles mobiles, par intégration du tireur
dans un espace virtuel.
Le simulateur qui va être décrit est
destiné à faciliter l'entraînement au tir de missiles
sur une cible mobile qui peut être un véhicule
terrestre, par exemple un char, ou bien un objet
volant, par exemple un hélicoptère. On parlera donc,
dans la suite de la description, simplement de cible
mobile.
Ce simulateur de tir de missiles s'articule
autour d'une unité centrale chargée de réaliser le
traitement de données et de deux postes de travail : un
poste instructeur et un poste tireur.
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On appelle "poste tireur", l'ensemble
constitué d'un poste de tir adapté, d'un tube munition
équipé d'un éventuel système de délestage et de moyens
de visualisation du champ de tir. Le poste de tir
adapté est un poste de tir identique à un poste de tir
réel, d'un point de vue ergonomique (position des
commandes, masses, centrages) mais dont les fonctions
ont été remplacées par des fonctions liées à la
simulation.
Un tel poste de tir est décrit, notamment,
dans la demande de brevet FR-A-2 685 464, déposée au
nom de la demanderesse.
Contrairement au poste de tir réel, le
poste de tir adapté de l'invention est dépourvu de
système de visée ; celui-ci est remplacé par un
micromoniteur sur lequel s'affichent les images
virtuelles représentant le champ de vision du tireur,
selon un format (dimensions, grossissement) identique à
celui de la vue à travers le système de visée d'un
poste de tir réel. Sur ce micromoniteur, s'affichent
les images virtuelles représentant l'espace virtuel
dans lequel évolue, "en exercice", le tireur.
D'autre part, ce poste de tir de
l'invention comporte un capteur de positions
tridimensionnelles (3D) positionné, au moins en partie,
à l'intérieur du tube de lancement. Ce capteur de
positions 3D, appelé aussi "dispositif de localisation
spatiale", permet de déterminer les mouvements du poste
de tir lors de l'exercice de tir. Ce capteur de
positions 3D envoie les données relatives à ces
mouvements à l'unité centrale qui les analyse et en
déduit les incidences sur le vol simulé du missile et
sur l'image affichée.
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Le poste instructeur est le poste à partir
duquel l'instructeur crée le scénario d'entraînement
qu'il va proposer à l'élève, lance les exercices
d'entraînement, guide l'élève et analyse les résultats
du tir ainsi que le comportement de l'élève pendant
l'exercice. Ce poste instructeur peut être physiquement
éloigné du poste tireur. Il est relié au poste tireur
par l'intermédiaire de l'unité centrale qui sera
décrite de façon plus précise par la suite. Ce poste
instructeur comporte un écran vidéo pouvant afficher à
la demande plusieurs images et des moyens de décision
lui permettant d'envoyer des instructions au poste
tireur, via l'unité centrale.
Ce poste instructeur ainsi que le poste
tireur sont représentés, schématiquement, sur la figure
1. Sur cette figure 1, le poste tireur porte la
référence 1, l'unité centrale de traitement, la
référence 8 et le poste instructeur, la référence 9.
Plus précisément, le poste instructeur 9
comprend un écran vidéo 9a associé à des moyens de
décision 9b, tels qu'un clavier, une souris, etc. C'est
à partir de ce poste instructeur 9 que l'instructeur va
créer le scénario dans lequel le tireur va s'entraîner.
On entend par scénario l'ensemble constitué de l'objet
graphique en trois dimensions représentant le champ de
tir, du type de missile que doit lancer l'élève, des
trajectoires des cibles et des conditions de tir. Ce
scénario est déterminé à partir d'un choix de terrains
proposés par le simulateur, à l'instructeur. Celui-ci
choisit l'un de ces terrains, puis choisit, sur ce
terrain, certaines conditions de tir, telles que
l'emplacement où est placé le tireur et son angle de
*rB
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visée. L'instructeur choisit également, sur ce terrain,
l'emplacement où lui-même doit être placé pour pouvoir
visualiser à la fois le tireur et la cible mobiles.
L'instructeur définit également les trajectoires des
différentes cibles.
Il peut aussi choisir le type de système
d'arme sur lequel l'élève s'entraînera, chaque système
d'arme étant caractérisé par des lois de
guidage/pilotage différentes, des paramètres
cinématiques différents, un poste de tir et un réticule
spécifiques.
L'instructeur peut également choisir
d'autres conditions du tir, telles que les conditions
climatiques et d'ensoleillement dans lesquelles le
tireur devra travailler : jour, nuit, brouillard, etc.
Ces conditions de tirs peuvent être modifiées par
l'instructeur, même en cours d'exercice.
Le poste instructeur peut inclure un moyen
de mémorisation destiné à mémoriser les scénarios,
ainsi que le résultat des tirs, de façon à permettre,
ultérieurement, l'analyse du tir de missile.
Le poste tireur 1 comporte un poste de tir
2 déjà décrit, muni d'une commande de tir 4
(c'est-à-dire le bouton de mise à feu associé à la
poignée du poste de tir, déjà décrit), d'un dispositif
de localisation spatiale 5 (capteur de positions 3D),
ainsi que d'un micromoniteur 3.
Selon un mode de réalisation de
l'invention, le poste tireur comporte un dispositif de
restitution des perturbations, référencé 6.
Ces éléments 4, 5 et 6 sont en fait fixés
au poste de tir 2, mais ont été schématisés, sur la
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figure 1, par des blocs, de façon à simplifier la
figure.
Le poste tireur 1 comprend, de plus, un
dispositif de visualisation 7 qui peut être un écran
vidéo standard ou, de préférence, un grand écran. Ce
dispositif de visualisation 7 affiche des images
identiques à celles affichées par le micromoniteur 3.
Toutefois, les images affichées sur ce dispositif 7
sont de taille réelle, tandis que les images affichées
par le micromoniteur sont grossies selon un coefficient
correspondant à celui du système de visée standard du
système d'arme de façon à ce que l'image vue par le
tireur corresponde (en format) à l'image que voit un
tireur sur un poste de tir réel.
L'utilisation simultanée du dispositif de
visualisation 7 et du micromoniteur 3 a pour but de
permettre au tireur de voir la scène sans grossissement
lorsqu'il relève la tête, assurant ainsi son immersion
dans l'espace virtuel. L'entraînement du tireur se fait
ainsi dans des conditions qui ressemblent le plus
possible aux conditions réelles de tir.
Le dispositif de localisation spatiale 5,
placé, au moins en partie, dans le tube de lancement,
permet de déterminer la position et les attitudes du
tireur. Lorsque celles-ci ont été acquises, elles sont
transmises à l'unité centrale qui en déduit la position
du tireur dans l'espace virtuel. Pour prendre en compte
toutes les modifications de positions du tireur, le
capteur utilisé est un capteur à 6 degrés de liberté
(selon 3 axes et 3 angles) . Ce capteur peut être, par
exemple, un système électromagnétique qui a l'avantage
d'être stable et de ne présenter aucune dérive dans le
temps. En particulier, on peut utiliser le modèle
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FASTRAK de la Société POLHEMUS . Ce capteur
électromagnétique comporte, en particulier, un
récepteur positionné dans le tube de lancement et
associée à un émetteur situé en dehors du tube de
5 lancement et représentant la référence fixe.
Le capteur de positions peut également être
un capteur gyrométrique, qui a l'avantage d'être précis
et insensible aux ondes électromagnétiques
environnantes. D'autres types de capteurs de positions
10 3D peuvent être envisagés également.
L'unité centrale 8 a pour rôle
d'interpréter les commandes de l'instructeur, de
restituer le scénario choisi par l'instructeur au poste
instructeur et au poste tireur, de prendre en compte la
commande de tir et de permettre, éventuellement, la
mise en oeuvre des dispositifs de restitution des
perturbations. Cette unité centrale peut être, par
exemple, un générateur d'images de synthèse, ou encore
un ordinateur de type PC.
Lorsque le scénario est défini par
l'instructeur, les instructions relatives à ce scénario
sont envoyées à l'unité centrale 8 qui, en association
avec un générateur d'images 10, génère toutes les
images nécessaires à l'exercice. Plus précisément,
c'est le générateur d'images 10 qui forme toutes les
images à partir des données fournies par l'unité
centrale 8. Il génère, en particulier, la ou les images
pour le poste instructeur. Selon le mode de réalisation
préféré de l'invention, le poste instructeur affiche
deux images : une carte du champ de tir et une vue
représentant le champ de vision de l'instructeur
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lorsque celui-ci regarde le tireur. Le générateur
d'images 10 génère également deux autres images
destinées au poste tireur.
Ce générateur d'images peut être, par
exemple, le générateur d'images de synthèse Onyx
Reality Engine2 commercialisé par SILICON GRAPHICS et
associé, dans le simulateur de l'invention, à un
boîtier Multi Chanel Option commercialisé également par
SILICON GRAPHICS.
Il est à noter que le simulateur de
l'invention vient d'être décrit dans le cas où il ne
comporte qu'un seul poste tireur ; il peut, toutefois,
comporter plusieurs postes tireurs. Deux modes de
réalisation sont alors possibles : celui où chaque
poste tireur est associé à son propre générateur
d'images et celui où tous les postes tireurs sont
associés à un même générateur d'images.
Par ailleurs, comme cela a été décrit dans
la demande de brevet FR-A-2 685 464 de la demanderesse,
différentes perturbations sont présentes lors d'un tir
de missile :
- des perturbations liées au délestage du
poids du missile ;
- des perturbations latérales liées aux
frottements engendrés par le missile lors de sa sortie
du tube ;
- des perturbations liées à l'effort de
traction du fil sur le poste de tir, lorsqu'il s'agit
d'un missile filoguidé.
Pour simuler ces perturbations, on utilise
un dispositif de restitution des perturbations,
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schématisé par le bloc 6 sur la figure 1 et décrit dans
la demande de brevet FR-A-2 685 464.
Pour une meilleure compréhension de
l'invention, on a représenté, sur la figure 2, ce
dispositif de restitution des perturbations provoquées
par le lancement du missile.
Ce dispositif comporte un système de masses
ml, m2, positionnées dans le tube de lancement, et
éjectées hors du tube lors du lancement fictif du
missile. Ce dispositif comporte, en outre, des capteurs
de proximité cl, c2 disposés sur l'axe où sont fixées
les masses électromagnétiques. Ces capteurs servent à
détecter la présence des masses pour savoir s'il est
nécessaire ou non de les alimenter en énergie,
c'est-à-dire pour savoir si ces masses doivent être
larguées ou non. Autrement dit, ces capteurs de
proximité fournissent, à un boîtier de commande des
masses 11, une information relative à la présence ou
non des masses. Ce boîtier de commande 11 reçoit
également une information relative à la commande de tir
ainsi que l'alimentation en énergie nécessaire pour
larguer les masses ml et m2.
Ce dispositif de restitution des
perturbations comporte de plus un système de traction
de fil, référencé 12, dont le rôle est de restituer les
perturbations dues à l'effort de traction du fil sur le
poste de tir, lorsque le missile est filoguidé. Ce
boîtier de traction de fil 12 est commandé par une
commande COM2 qui est générée par le simulateur après
un temps At après le départ du missile. Pour que la
traction du fil s'exerce toujours dans la direction du
missile, comme cela est le cas pour les postes de tir
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réels, le système de traction de fil 12 est asservi sur
la position relative au poste de tir par rapport au
missile, par un moteur d'asservissement 13, commandé
par une commande COM1.
