Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
20~05~1
.. , .
1 La présente invention concerne un dispositif de commande
pour une machine, pourvu d'un manche de commande basculant
et destiné à être actionné par une seule main d'un
opérateur.
Quoique non exclusivement, elle s'applique tout particuliè-
rement aux systèmes de pilotage pour aéronef et elle sera
ci-après plus spécialement décrite en référence à une telle
application, étant bien entendu qu'il ne peut en résulter
une limitation de la portée de l'invention.
On sait que de nombreuses machines, telles que avions,
hélicoptères, chars d'assaut, engins de travaux publics,
etc..., sont pourvues d'un ensemble d'éléments commandés
pouvant être actionnés à partir de l'un ou l'autre de deux
postes de commande conjugués, contrôlés par deux opérateurs
distincts (appelés pilote et copilote dans le cas de
véhicules) et équipés chacun d'un organe de commande du
type manche, articulé de façon à pouvoir pivoter dans
n'importe quelle direction. Ces deux organes de commande
sont reliés auxdits organes à commander et sont couplés
entre eux de sorte que chacun desdits opérateurs dispose de
l'ensemble des commandes desdits organes à commander et que
le basculement volontaire par actionnement direct de l'un
desdits organes de commande par un opérateur entralne un
basculement induit identique de même sens de l'autre.
Jusqu'à présent, la transmission des ordres de commande
entre un manche actionné par un opérateur et un organe à
commander s'effectuait de façon mécanique, de sorte que
lesdits manches étaient de dimensions relativement
importantes et susceptibles de supporter et de transmettre
des efforts mécaniques importants. De tels manches étaient
donc prévus pour être disposés devant lesdits opérateurs,
tenus à deux mains par chaque opérateur et actionnés par
2~0aQl
1 action des avant-bras de celui-ci, l'amplitude et
l'intensité de leurs mouvements étant conditionnées par les
résistances à vaincre pour la manoeuvre des commandes
mécaniques.
On remarquera que l'utilisation des deux mains de chaque
opérateur non seulement permettait de transmettre des
efforts importants, mais encore rendait ces efforts
symétriques et identiques pour les deux opérateurs.
Cependant, de plus en plus, les commandes mécaniques sont
remplacées par des commandes électriques présentant de
nombreux avantages, par exemple en ce qui concerne la
masse, l'encombrement, la maintenance, la prise en compte
de lois de commande complexes, etc... Il en résulte que
lesdits manches sont reliés et associés à des capteurs
électriques qui détectent les variations de position
desdits manches et qui contrôlent des commandes électriques
actionnant lesdits organes commandés en fonction des
indications desdits capteurs. Dans ces conditions, lesdits
manches ne transmettent que des efforts très faibles et
leurs dimensions et leur résistance mécanique peuvent être
considérablement diminuées. C'est ainsi que l'on est arrivé
à la conception et à l'utilisation de manches de faibles
dimensions appelés "minimanches" ou "ministicks", pouvant
être tenus et actionn~s par une seule main d'un opérateur.
Puisque ces minimanches ne transmettent que des efforts
insignifiants, il a été nécessaire, afin de permettre
auxdits opérateurs de doser les efforts qu'ils appliquent à
un minimanche pour le faire basculer et de ramener celui-ci
en une position neutre dès qu'il est relâché, d'associer au
moins un dispositif de sensation d'effort, par exemple
constitué par une bielle à ressort.
2~a~11
1 En plus des avantages mentionnés ci-dessus concernant
llutilisation des commandes électriques, de tels minimanches
permettent de dégager l'espace en avant des opérateurs, afin
d'optimiser le regroupement d'autres commandes devant
ceux-ci, de sorte que chaque minimanche est disposé
latéralement par rapport auxdits opérateurs. De plus,
notamment lorsque les deux postes de commande des opérateurs
sont parallèles (ce qui est généralement le cas dans un
véhicule dans lequel lesdits postes sont disposés face à
l'avant de celui-ci), afin de respecter la symétrie de la
machine par rapport à un axe passant entre lesdits postes,
l'un des minimanches est disposé à gauche de l'opérateur de
gauche et l'autre à droite de l'opérateur de droite. Dans un
tel cas, l'opérateur de gauche tient donc le minimanche
associé de sa main gauche, alors que l'opérateur de droite
tient le sien de sa main droite. Le respect de la symétrie
de la commande de la machine entralne donc alors une
asymétrie au plan des opérateurs.
On a remarqué qu'une telle asymétrie soulève des difficul-
tés, lorsque la commande de la machine nécessite des
basculements des minimanches, latéraux de gauche à droite et
inversement par rapport auxdits opérateurs. Ceci provient
certainement de la morphologie humaine qui fait que les
possibilités d'exercer un effort latéral à l'aide d'une même
main fermée sur un minimanche sont différentes selon que la
force est exercée en poussant avec la paume vers soi ou en
tirant avec les doigts vers l'extérieur. De plus, dans la
disposition décrite ci-dessus, à une poussée avec la paume
dans l'un des postes de commande correspond une traction
avec les doigts dans l'autre poste.
Ainsi, non seulement la poussée et la traction latérales
seront ressenties différemment par chaque opérateur, mais
encore l'asymétrie d'efforts s'inverse lorsqu'une commande
avec la main gauche au poste de gauche est relevée par une
commande avec la main droite au poste de droite et
2~ 0~
1 vice-versa. Le passage de la commande de la machine d'un
poste de commande a l'autre s'effectue donc avec à-coup, ce
qui risque d'entralner des conséquences graves, notamment
dans le cas d'un avion.
Pour remédier à ces inconvénients, on a déjà proposé, dans
un dispositif complexe de conjugaison mécanique de deux
minimanches, d'associer un dispositif de sensation d'effort
à chacun desdits organes de commande, de façon que le
dispositif de sensation d'effort associé à l'organe de
commande actionné par une main gauche soit actif seulement
lorsque celui-ci est volontairement et directement actionné
par un opérateur de gauche à droite, et que le dispositif
de sensation d'effort associé à l'organe de commande
actionné par une main droite soit actif seulement lorsque
celui-ci est volontairement et directement actionné par un
opérateur de droite à gauche.
Un tel dispositif de conjugaison mécanique de deux
minimanches, pourvu de dispositifs de sensation d'effort
complexes à action sélective, donne satisfaction.
Cependant, du fait de sa structure mécanique, il ne peut
permettre de tirer le maximum de profit de la réalisation
sous forme électrique des commandes de vol. De plus, il
présente des jeux et des frottements non négligeables par
rapport aux débattements réalisés et aux efforts mis en
jeu, et l'inertie des pièces en mouvement est préjudiciable
à un fonctionnement correct, de sorte que ses performances,
notamment en ce qui concerne la précision de pilotage, ne
sont pas aussi bonnes qu'on pourrait l'espérer.
Par ailleurs, pour permettre que, en cas de basculement
volontaire d'un manche par un opérateur, un basculement
induit identique de même sens soit appliqué à l'autre
manche (recopie de position), il est nécessaire, soit de
prévoir des moteurs spéciaux, soit de compléter à cet effet
2~5~1
1 le dispositif de conjugaison mécanique entre les deux
manches. De toutes facons, de tels moteurs sont nécessaires
dans le cas où le véhicule (aéronef) comporte un pilote
automatique, afin que la position des minimanches
corresponde, à chaque instant, à la commande du pilote
automatique.
En outre, il est souvent nécessaire d'associer à chacun
desdits manches, pour chacun de leurs axes de basculement,
au moins un amortisseur pour parfaire les basculements de
ceux-ci, limiter les déplacements trop rapides et éviter
des oscillations nuisibles à la commande.
Enfin, afin d'alerter les pilotes d'un aéronef sur une
anomalie ou un danger de vol, il est d'usage d'associer
auxdits manches des vibreurs, entralnant la vibration de
ceux-ci. Ainsi, l'opérateur qui tient un manche avec sa
main percoit ces vibrations et peut prendre les mesures
correctives nécessaires.
Ainsi, on voit que les dispositifs de commande à minimanche
sont complexes puisqu'ils comprennent des dispositifs de
sensation d'effort (bielles à ressort, ressorts à lames,
ciseaux, etc...), des amortisseurs (hydrauliques, à
membrane, à frottement, etc...), des moyens de motorisation
pour la recopie de position en phase de pilotage automati-
que ou d'un poste de pilotage à un autre, et des vibreurs.
La présente invention a pour objet de remédier à ces
inconvénients et de simplifier de tels dispositifs de
commande à minimanche en tirant le maximum de profit des
commandes de vol électriques et en permettant d'obtenir de
meilleures performances et une sécurité de pilotage
supérieure. De plus, l'invention permet notamment de
supprimer le couplage mécanique entre les manches de deux
20~ 0~1
1 dispositifs à minimanche associés au pilotage d'une machine
et de résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus
concernant l'inversion des sensations d'efforts d'un poste
de pilotage à l'autre.
L'invention permet donc la rationalisation des commandes
électriques de vol équipées de minimanches latéraux, dans
le pilotage d'aéronefs, ainsi que l'amélioration des
conditions de pilotage des aéronefs en assurant sécurité,
confort et précision.
A cette fin, selon l'invention, le dispositif pour la
commande d'éléments d'une machine, comportant un manche
destiné à être actionné par une seule main d'un opérateur
et monté basculant autour d'au moins un axe transversal
audit manche, ledit manche était associé à au moins un
capteur de position délivrant un signal électrique
représentatif du basculement dudit manche autour dudit axe,
de part et d'autre d'une position neutre, ledit signal
électrique contrôlant au moins l'un desdits éléments de la
machine par l'intermédiaire de moyens de calcul, est
remarquable en ce qu'il comporte au moins un moteur couple
associé audit axe de façon que le basculement dudit manche
entralne une rotation relative entre le rotor et le stator
dudit moteur couple et en ce que ledit moteur couple est
alimenté par lesdits moyens de calcul.
Lorsque, de façon connue, ledit manche est monté basculant
autour d'axes croisés transversaux audit manche, des
capteurs de position étant prévus pour délivrer des signaux
électriques respectivement représentatifs du basculement
dudit manche autour desdits axes, de part et d'autre d'une
position neutre, lesdits signaux électriques contrôlant des
éléments de ladite machine par l'intermédiaire de moyens de
calcul, le dispositif selon l'invention est remarquable en
2 ~
1 ce qu'il comporte au moins un moteur couple associé à chacun
desdits axes, de façon que le basculement dudit manche
autour de chacun de ceux-ci entralne une rotation relative
entre le rotor et le stator du moteur couple correspondant
et en ce que lesdits moteurs couple sont respectivement
alimentés par lesdits moyens de calcul.
Ainsi, lorsque ledit manche est basculé, le capteur de
position associé adresse ledit signal électrique aux moyens
de calcul qui connaissent donc, à chaque instant, la
position dudit manche. Lesdits moyens de calcul peuvent donc
adresser au moteur couple correspondant une alimentation
appropriée, de sorte que ledit moteur couple engendre un
couple résistant au basculement. On obtient alors une
sensation d'effort, sans la nécessité de prévoir des
dispositifs de sensation d'effort supplémentaires. Grâce à
l'invention, on peut donc supprimer les dispositifs de
sensation d'effort prévus jusqu'à présent.
Par ailleurs, grâce aux grandes possibilités des moyens de
calcul (calculateurs électroniques), il est possible de
faire engendrer auxdits moteurs couples toute loi d'effort
désirée, en fonction de l'amplitude du basculement dudit
manche et/ou de la position à gauche ou à droite dudit
manche. Par exemple, la résistance au basculement peut
varier, en fonction de ladite amplitude du basculement, de
façon linéaire, ou parabolique, ou bien encore présenter des
seuils ou des ruptures de pente. Il est également possible
d'alimenter les moteurs couple par des signaux permettant de
simuler des frottements visqueux. Les amortisseurs prévus
par la technique antérieure deviennent donc inutiles.
De plus, on voit que grâce auxdits moteurs couples et à leur
commande par lesdits moyens de calcul, il n'y a aucune
difficulté à motoriser lesdits manches, soit en vue de la
recopie de la position d'un manche par l'autre, soit pour
2~10~
1 suivre les commandes du pilote automatique. En effet, dans
le premier cas, lesdits moyens de calcul, connaissant la
position du manche volontairement basculé, peuvent
communiquer au manche libre un basculement identique en lui
adressant un ordre approprié. Dans le deuxième cas, lesdits
moyens de calcul connaissent les ordres aux gouvernes du
pilote automatique et peuvent déplacer en conséquence
lesdits manches. Ainsi, il est possible de supprimer les
moyens de motorisation spéciaux antérieurement prévus,
ainsi que tout couplage mécanique entre les manches.
Enfin, on conçoit aisément qu'en cas de danger, lesdits
moyens de calcul peuvent adresser auxdits moteurs couple un
signal alternatif susceptible de faire vibrer lesdits
manches. Les vibreurs antérieurs peuvent donc également
être supprimés.
On voit donc que, grâce à l'invention, lesdits moteurs
couple servent, à la fois, de dispositifs de sensation
d'effort, d'amortisseurs, de moyens de motorisation, de
moyens de couplage entre les manches et de vibreurs.
De tels moteurs couple peuvent être de tout type connu. Par
exemple, il~ peuvent être du type à aimant permanent au
samarium-cobalt et être ceux connus commercialement sous
les références SM 6028 ZA ou SM 9620 ZA de la société
ARTUS.
Bien entendu, le ou les moteurs couple associés à un axe de
basculement peuvent être soit montés directement sur ledit
axe, soit reliés à celui-ci par une liaison par bielle ou
engrenage. Dans ce dernier cas, on peut obtenir une
amplification de mouvement.
2~ 05~
1 Par ailleurs, si le dispositif a minimanche est prévu pour
que ledit minimanche puisse tourner ou basculer autour d'un
axe supplémentaire, il est évident qu'un ou plusieurs
moteurs couple peuvent être associés à la rotation ou au
basculement dudit minimanche autour dudit axe supplémen
taire.
Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment
l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des
références identiques désignent des éléments semblables.
La figure l est une vue partielle en perspective, de
l'arrière vers l'avant, d'un poste de pilota~e d'avion
civil gros porteur équipé de minimanches latéraux.
La figure 2 représente le schéma fonctionnel de l'ensemble
d'un minimanche et de ses capteurs, conformément à
l'invention.
La figùre 3 montre, avec arrachement, un mode de réalisa-
tion de l'en~emble du minimanche et de ses capteurs,
illustré schématiquement par la figure 2.
La figure 4 donne le schéma synoptique d'un système de
commande conforme à l'invention, pourvu de deux minimanches
couplés.
Sur la figure 1, on a représenté schématiquement et
partiellement, en vue axiale en perspective de l'arrière
vers l'avant, le poste de pilotage d'un avion civil gros
porteur moderne, comportant un siège 1 pour un pilote et un
siège 2 pour un copilote. De façon usuelle, la place de
pilotage destinée au pilote se trouve à gauche, alors que
celle du copilote se trouve à droite. Les deux places de
pilotage sont séparées l'une de l'autre par une console
centrale 3 pourvue d'une pluralité d'organes de commande et
2 ~
1 de contrôle, tels que des poignées 4 de commande des gaz.
Par ailleurs, sur le tableau de bord 5 sont prévus
différents organes de contrôle.
On remarquera que, dans le poste de pilotage représenté ~ur
la figure 1, les deux manches de pilotage usuels se
trouvant devant le pilote et le copilote, respectivement,
et destinés à être tenus et manoeuvrés à deux mains, ont
été supprimés. Ces manches usuels, de grande dimension, ont
été remplacés par de simples poignées pivotantes 6 et 7,
respectivement disposées à gauche du pilote et à droite du
copilote ; ainsi, la poignée 6 est destinée à être
actionnée par la main gauche du pilote et la poignée 7 par
la main droite du copilote. Par exemple (voir également les
figures 2 et 3), l'avion est commandé en profondeur en
basculant la poignée 6, ou la poignée 7, parallèlement au
plan longitudinal médian de l'avion autour d'un axe
transversal X-X et en roulis en basculant l'une desdites
poignées latéralement, transversalement audit plan
longitudinal médian, autour d'un axe longitudinal Y-Y.
Comme on le verra ci-après, chaque poignée peut, à partir
d'une position neutre N être basculée vers l'avant (flèche
FAV), vers l'arrière (flèche FAR), vers la droite (flèche
FD) et vers la gauche (flèche FC).
Les poignées 6 et 7 sont appelées "minimanches" et sont
électriquement couplées, pour que l'avion soit pilotable à
partir de l'une ou l'autre d'entre elles, ou à partir des
deux.
Comme montré par les figures 2 et 3, chaque poignée 6 et 7
est associée à un mécanisme 8 ou 9 respectivement.
Chacun desdits mécanismes 8 ou 9 représentés comporte :
- deux moteurs couple 10 et 11 alignés sur l'axe X-X, dont
les rotors 12 et 13 sont fixes par rapport au poste de
pilotage (car solidaires du boitier 8a,9a desdits
2~0~
1 1
1 mécanismes) et dont les stators 14 et 15 sont solidaires
d'un équipage basculant 16 ;
- au moins un capteur de position 17, qui est fixe et est
susceptible d'indiquer la position de l'équipage basculant
16, autour de l'axe X-X ;
- deux moteurs couple 18 et 19 alignés sur l'axe Y-Y, dont
les stators 20 et 21 sont solidaires dudit équipage
basculant 16 et dont les rotors 22 et 23 sont solidaires
d'un arbre commun 24, de laquelle ladite poignée 6 ou 7 est
solidaire ; et
- au moins un capteur de position 25, porté par l'équipage
basculant 16 et susceptible d'indiquer la position de la
poignée 6,7 autour de l'axe Y-Y.
Les capteurs de position 17 et 25 sont par exemple du type
rotatif et leur axe porte un pignon 26 engrènant, respecti-
vement, avec une roue dentée 27 solidaire de l'équipage
basculant 16 et concentrique à l'axe X-X et avec une roue
dentée 28 solidaire de l'arbre 24 et concentrique à l'axe
y _y,
Dans le mode de réalisation pratique montré par la figure 3,
on a prévu, à des fins de redondance, quatre capteurs 17 et
quatre capteurs 25.
Dans le système de commande de vol illustré schématiquement
et partiellement sur la figure 4, on a prévu des moyens de
calcul 30, par exemple constitués de plusieurs calculateurs.
Ces moyens de calcul sont reliés :
- aux capteurs 17 et 25 du mécanisme 8 par des lignes 31 ;
- aux capteurs 17 et 25 du mécanisme 9 par des lignes 32 ;
- aux moteurs couple 10 et 11 du mécanisme 8 par des lignes
33 ;
- aux moteurs couple 18 et 19 du mécanisme 8 par des lignes
34 i
- aux moteurs couple 10 et 11 du mécanisme 9 par des lignes
35 ;
2~10~1
12
1 - aux moteurs couple 18 et 19 du mécanisme 9 par des lignes
36 ; et
- aux gouvernes à commander (non représentées) par des
lignes 40.
Lorsque, par exemple, un minimanche 6 ou 7 est volontaire-
ment basculé autour de l'axe X-X vers l'avant (flèche FAV)
ou vers l'arrière (flèche FAR), il se produit, d'une part,
une rotation du ou des capteurs 17 et, d'autre part, une
rotation relative entre le stator et le rotor des moteurs
couple 10 et 11.
Le signal ainsi engendré par le ou les capteurs 17 est
adressé par une ligne 31 aux moyens de calcul 30, qui
connaissent donc, à chaque instant, la posicion dudit
minimanche 6 ou 7. Par suite, ils peuvent adresser, aux
gouvernes (par exemple de tangage), par l'intermédiaire
d'une ligne 40, des ordres de commande, qui correspondent au
déplacement dudit minimanche. De plus, par une ligne 33, les
moyens de calcul 30 adressent aux moteurs 10 et 11 un signal
d'alimentation. Ce signal d'alimentation est une fonction
programmée de l'amplitude de la rotation du minimanche 6 ou
7 autour de l'axe X-X. Il produit donc, en sortie desdits
moteurs couple, un couple résistant s'opposant à l'action
sur le minimanche 6 ou 7. Le pilote actionnant ce minimanche
ressent donc une résistance à son action.
De ce qui précède, on comprendra aisément que, grâce aux
moteurs couple 18 et 19 et aux moyens de calcul 30, une
sensation d'effort peut également être engendrée lorsque le
minimanche 6 ou 7 bascule autour de l'axe Y-Y.
Une sensation d'effort désirée en fonction dudit basculement
du minimanohe 6 ou 7, est obtenue en choisissant en
conséquence l'évolution du signal d'alimentation adressé par
les moyens de calcul 30 auxdits moteurs couple 10,11,18,19.
Cette évolution peut être différente suivant qu'il s'agit du
2 ~
13
1 minimanche 6 ou du minimanche 7, afin de prendre en compte
la dissymétrie de commande entre le pilote et le copilote.
On peut de plus prévoir l'évolution dudit signal d'alimen-
tation pour que celui-ci simule des caractéristiques
d'amortissement visqueux.
Par ailleurs, si seul un minimanche 6 ou 7 est volontaire-
ment basculé par un pilote, on conçoit aisément que les
moyens de calcul 30, qui connaissent le basculement,
peuvent imposer a l'autre minimanche un basculement
identique, en commandant de façon appropriée ses moteurs
couple 10,11 et/ou 18,19.
Dans le cas où l'aéronef comporte un pilote automatique,
celui-ci est, de façon évidente et connue, en liaison avec
lesdits moyens de calcul 30. Ainsi, si ledit pilote
automatique est enclenché, ies moyens de calcul 30 peuvent
imposer aux minimanches 6 et 7, par l'intermédiaire de
leurs moteurs couple 10,11,18,19, de prendre des positions
basculées correspondant à chaque instant aux commandes du
pilote automatique.
En outre, en cas de conditions de vol critiques, les moyens
de calcul 30 (qui sont en relation avec tous les disposi-
tifs de mesure de bord) peuvent adresser aux moteurs couple
10,11,18,19 des minimanches 6 et 7 une alimentation
alternative, destinée à faire vibrer ceux-ci.
Ainsi, grâce à l'invention, on obtient des minimanches
simples, complets, précis et de faible masse.
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