PEGASE Le simulateur de vol de l'ISAE - Description du système - Plateforme d'Enseignement et de Recherche
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PEGASE
Le simulateur de vol de l’ISAE
Plateforme d’Enseignement et de
Recherche
Description du système
Patrice LABEDAN
28 novembre 2013
Table des matières
1 Le Simulateur de Vol 3
1.1 Description générale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Utilisations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.1 Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.2 Recherche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.3 Visites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Organisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4 Les visualisations en détails . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4.1 Les VUs typées Airbus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4.2 Les VUs typées Avions Légers . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4.3 La Visualisation Extérieure . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4.4 Les visualisations diverses . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5 Valorisation et diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.5.1 Les VUs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.5.2 Communication avec les VUs . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2 Annexes 16
2.1 Logiciel Simavion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1.1 Exemple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2 Bilan exploitation FH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.1 Publications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.2 Brevets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.3 Projets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.4 Thèses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.5 Post-Doctorants, Stages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3 Compléments 21
3.1 Glossaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 Développements - Contacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1
Table des figures
1.1 Organes de commandes principaux . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Eléments de dialogue avec le Pilote Automatique . . . . . . . . . 4
1.3 Exemple des visualisations du cockpit . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 La plateforme mobile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.5 La visualisation extérieure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.6 Prototype pour les expériences FH . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.7 Eye-tracker sur pilote expérimenté . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.8 Zones cerveau concernées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.9 Architecture informatique du simulateur . . . . . . . . . . . . . . 9
1.10 Les différentes VUs typées Airbus disponibles sur le simulateur
de vol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.11 Le Tableau De Bord . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.12 FlightGear adapté . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.13 Le panoramique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.14 Atlas, GPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.15 Trajectoire en Glide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.16 Trajectoire en Loc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1 Caractéristiques générales de l’avion . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 Page des coefficients aérodynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3 Formules aérodynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4 Saisie des coefficients aérodynamiques . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.5 Visualisation des coefficients (courbes) . . . . . . . . . . . . . . . 18
2
Chapitre 1
Le Simulateur de Vol
1.1 Description générale
PEGASE 1 , le simulateur de vol du CAS, était à l’origine un outil destiné
à l’enseignement de la Mécanique/Dynamique du Vol. Aux premières versions
en tout analogique de la fin des années 1970 (oscilloscopes pour l’analyse des
réponses avion, traceurs, pas de visulalisation 3D, pas de mouvement, ...), ont
succédées des versions informatiques, qui n’ont cessé d’évoluer sous la direction
de Christian Colongo, chef du CAS jusqu’en 2012 2 .
Dans sa version actuelle, le simulateur est articulé autour d’un noyau de
simulation générique, capable de simuler n’importe quel avion, du moment que le
dossier aérodynamique de l’avion en question est connu dans la base de données
des avions 3 .
Un cockpit 4 places est équipé des organes de commande principaux : mini-
manches, palonniers, manette des gaz, manette bec volets, volants de trim (fi-
gure 1.1 sur la page suivante). Il possède aussi deux interfaces matérielles qui
permettent de dialoguer avec le pilote automatique : le FCU 4 et le MCDU 5
(figure 1.2 sur la page suivante).
Quatre visualisations complètent l’équipement cockpit : 3 simulations d’écrans
Airbus (place gauche), et un écran Tableau de Bord avion léger (place droite)
(figure 1.3 à la page 5).
Ce cockpit est placé sur une plateforme mobile 3 axes, destinée à restituer
les mouvements de la cabine durant le vol 6 (figure 1.4 à la page 5).
Le monde 3D extérieur est un système de visualisation à 180 degrés, réparti
sur 8 écrans plats. Il a été mis en place en 2012 7 (figure 1.5 à la page 6). Pour
1. PEGASE : Plateform for Experiments on Generic Aircraft Simulation Environment
2. Gestion des développements par Patrice Labedan depuis 2001. Equipe développement
renforcée depuis 2008 avec Guillaume Garrouste
3. Par dossier aérodynamique, on entend l’ensemble des coefficients aérodynamiques et les
caractéristiques générales de l’avion (géométrie, train d’atterrissage, rayons de giration...). Le
logiciel Simavion, développé en interne, permet de rentrer un dossier aérodynamique dans la
base de données des avions (voir "Annexes")
4. Flight Control Unit
5. Multifunction Control-Display Unit
6. Ce mouvement fait actuellement l’objet d’un programme de rénovation - Jerome Dar-
tigues, Patrice Labedan
7. Étude, conception et réalisation par Dominique Bernard, CAS
3
Figure 1.1 – Organes de commandes principaux
Figure 1.2 – Eléments de dialogue avec le Pilote Automatique
4
Figure 1.3 – Exemple des visualisations du cockpit
Figure 1.4 – La plateforme mobile
5
Figure 1.5 – La visualisation extérieure
la partie informatique, le système est basé sur le projet OpenSource FlightGear,
en multi-écrans 8 .
Dans le domaine de l’Enseignement, en plus de la Mécanique du Vol, ce
simulateur permet aussi d’aborder des notions de Conduite du Vol et de
Navigation (voir section Utilisations).
Depuis quelques années, le simulateur est aussi utilisé dans le domaine de la
Recherche, plus précisément pour les FH (Facteurs Humains).
Prenons comme exemple les études sur la persévération des pilotes : des
prototypes d’interfaces sont développées pour aider le pilote à ne plus focaliser
sur certains paramètres lors de phases de vol "délicates". Ces prototypes sont
ensuite testés sur des pilotes 9 (figures 1.6 sur la page suivante, 1.7 sur la page
suivante et 1.8 à la page 8).
Le simulateur développé au CAS est donc une véritable plateforme d’Ensei-
gnement et de Recherche, en perpétuelle évolution.
8. Adaptation par Guillaume Garrouste et Patrice Labedan
9. Exemple de publications en annexe, "Chapître 2 - Annexes - Bilan Exploitation FH"
6
Figure 1.6 – Prototype pour les expériences FH
Figure 1.7 – Eye-tracker sur pilote expérimenté
7
Figure 1.8 – Zones cerveau concernées
1.2 Utilisations
Le simulateur est utilisé dans le domaine large de la Formation (enseignement
et formation continue), dans le domaine de la Recherche, mais aussi lors de
visites effectuées par une population extérieure à l’ISAE.
1.2.1 Formation
– Enseignement à l’ISAE
– Travaux Pratiques 1ère année : Séance "Initiation à la mécanique
du vol" pour la promotion entière des élèves de 1ère année (groupes de
12 élèves par demi-journée)
– TREX 1A : TREX intitulé "Insertion d’un pilote automatique sur un
Airbus A300 " - Encadrement Patrice Labedan
– TREX 2A : TREX intitulé "Insertion des lois de commandes de vol
sur un Airbus A300 " - Encadrement Patrice Labedan
– Projets 1A
– Projets 2A
– PFE : Projets de fin d’études
– Stagiaires (Erasmus, Informatique...)
– Formation Continue pour l’Eurosae 10
– Stage "Initiation à la Mécanique du vol" 11
– Stage "Conduite du Vol" 12
– Stage "Navigation de l’Avion" 13
10. Eurosae Formation Continue - http ://www.eurosae.com
11. Eurosae - Stage de formation continue - Techniques aéronautiques - AED008
- "Initiation à la Mécanique du vol, Des bases théoriques à l’application" -
http ://www.eurosae.com/pages/stages/B/pdf/AED008.pdf
12. Eurosae - Stage de formation continue - Applications Aéronautiques - AED010 -
"Conduite du vol" - http ://www.eurosae.com/pages/stages/B/pdf/AED010.pdf
13. Eurosae - Stage de formation continue - Navigation, positionnement, locali-
sation - AED043 - "La navigation de l’avion, Situation actuelle et évolutions" -
http ://www.eurosae.com/pages/stages/B/pdf/AED043.pdf
8
Figure 1.9 – Architecture informatique du simulateur
1.2.2 Recherche
Dans le domaine de la recherche, il est utilisé par les chercheurs en Facteurs
Humains pour mener des expériences avec des pilotes, et aboutir le plus souvent
à des publications, des dépôts de brevets, ou des contrats 14 .
1.2.3 Visites
Il est bien entendu aussi utilisé pour des visites de laboratoires (VIP, OSE 15 ,
...).
1.3 Organisation
Le simulateur de vol de l’ISAE est géré par un ensemble d’ordinateurs
connectés en réseau local (figure 1.9).
Ceux-ci sont répartis en 4 catégories :
– Noyau de simulation
– Visualisations
– Supervision
– Divers
14. Voir "Chapître 2 - Annexes - Bilan Exploitation FH "
15. OSE l’ISAE - Projet d’Ouverture Sociale de l’ISAE -
http ://www.isae.fr/fr/acces_directs/ose.html
9Le Noyau De Simulation, l’élément principal, réalise l’acquisition des com-
mandes pilotes (mini-manche, FCU, palonnier...), met à jour les paramètres de
vol, les envoi à chaque visualisation, puis actionne le mouvement de la cabine.
La partie Visualisations est composée d’éléments graphiques - les Unités Vi-
suelles (ou VUs, pour Visual Units). Elles permettent d’afficher des paramètres
de vol, le monde 3D, etc...
La partie Supervision comprend 2 ordinateurs : un premier destiné à gérer
les différentes versions du simulateur, le deuxième à superviser réellement le vol
lui-même (position initiale, vitesse, altitude...).
Dans la suite sera détaillée la partie Visualisations, mais pas les parties
Noyau de simulation ni Supervision, qui feront l’objet de documentations spé-
cifiques.
1.4 Les visualisations en détails
Les visualisations peuvent être classées en plusieurs catégories :
– les VUs typées Airbus,
– les VUs typées Avions Légers,
– la Visualisation Extérieure (ou le monde 3D),
– les visualisations diverses (ILS, Cartes, ...).
1.4.1 Les VUs typées Airbus
Ces VUs sont des visualisations qui existent sur des avions de type Air-
bus (figure 1.10 sur la page suivante). Sur le simulateur de vol, elles ont été
développées dans le but d’améliorer le représentativité du cockpit 16 .
Voici la liste :
– Les EFIS (Electronic Flight Instrument System) :
• le PFD (Primary Flight Display)
• le ND (Navigation Display)
– Les ECAM (Electronic Centralized Aircraft Monitoring) :
• l’EWD N1 (Engine Warning Display version N1)
• l’EWD EPR (Engine Warning Display version EPR)
• le FCTL (Flight ConTroL)
1.4.2 Les VUs typées Avions Légers
Le TDB (Tableau De Bord) concentre sur un seul écran les cadrans clas-
siques que l’on peut retrouver sur les avions légers (anémomètre, altimètre, ...).
16. Historiquement, le simulateur de SUPAERO était utilisé pour l’enseignement, plus exac-
tement en formation Mécanique du Vol ou Dynamique du Vol, et non pour la formation des
pilotes. Les fonctionnalités les plus simples des EFIS ont été reprises, et ce ne sont donc pas
des visualisations certifiées aéronautiques ou possédant toutes les fonctionnalités réelles que
l’on peut retrouver sur les vrais avions.
10Figure 1.10 – Les différentes VUs typées Airbus disponibles sur le simulateur
de vol
D’abord développé en C/OpenGL, il a ensuite été porté en Java2D (figure 1.11
sur la page suivante).
1.4.3 La Visualisation Extérieure
La Visualisation Extérieure est à l’origine une version du simulateur Open-
Source FlightGear, dont on utilise uniquement la partie graphique. Cette version
de base a été adaptée aux besoins du CAS (HUD, ajouts de modèles 3D, ...).
Ceci est fonctionnel sur le simulateur de vol du CAS depuis 2008 (8 ordinateurs
pour un affichage sur 8 écrans plats en panoramique à 180 degrés) (figure 1.12
à la page 13 et figure 1.13 à la page 13).
1.4.4 Les visualisations diverses
Plusieurs visualisations périphériques ont été rajoutées ou sont en cours de
développement : ILS, Atlas, ... (figures 1.14 à la page 14, 1.15 à la page 14
et 1.16 à la page 15). Elles peuvent être soit embarquées dans le cockpit (sur
écran tactile), soit au niveau de la baie de commande à l’extérieur du simulateur
(Cartes, aide à l’atterrissage, ...).
11Figure 1.11 – Le Tableau De Bord
1.5 Valorisation et diffusion
1.5.1 Les VUs
Les visualisations citées précédemment sont développées spécifiquement pour
le simulateur. Cependant, la plupart ont été rendues paramétrables pour une
réutilisation dans d’autres projets sans lien avec le simulateur de l’ISAE. Ainsi,
les VUs comme le PFD, ND, EWD-N1, EWD-EPR, FCTL et TDB, peuvent
être réutilisées très facilement 17 .
1.5.2 Communication avec les VUs
Pour faciliter l’utilisation de toutes les visualisations cockpit (PFD, ND,
EWD, FCTL, TDB, ILS), la librairie ApiVusCockpit.dll a été développée pour
un codage en langage C. Elle propose plusieurs services afin de développer son
propre client capable de communiquer avec chacune de ces visualisations. Un
exemple est fourni pour chaque VU 18 .
17. Se reporter à la documentation spécifique à chaque VU
18. "ApiVUsCockpit, Visual Unit Cockpit, Librairie de Communication - Documentation"
- Patrice Labedan
12Figure 1.12 – FlightGear adapté
Figure 1.13 – Le panoramique
13Figure 1.14 – Atlas, GPS
Figure 1.15 – Trajectoire en Glide
14Figure 1.16 – Trajectoire en Loc
15Chapitre 2
Annexes
2.1 Logiciel Simavion
Ce logiciel a été développé au CAS/ISAE (C.Colongo, P.Labedan), en Visual
Basic .NET.
Il permet de créer le "dossier" aérodynamique d’un avion qui sera compatible
avec le simulateur de vol PEGASE.
La création de ce dossier aérodynamique se fait en renseignant les carac-
téristiques générales de l’avion (figure 2.1 sur la page suivante), ainsi que la
totalité des coefficients aérodynamiques (figure 2.2 sur la page suivante) qui
correspondent aux formules aérodynamiques (figure 2.3 à la page 18).
2.1.1 Exemple
Czα1
Pour l’Airbus A300, ce coefficient est fonction de l’incidence (Alpha), et de
la configuration des Slats/Flaps. Les données sont rentrées sous forme textuelle
(figure 2.4 à la page 18), et visualisées sous forme de courbe (figure 2.5 à la
page 18).
16Figure 2.1 – Caractéristiques générales de l’avion
Figure 2.2 – Page des coefficients aérodynamiques
17Figure 2.3 – Formules aérodynamiques
Figure 2.4 – Saisie des coefficients aérodynamiques
Figure 2.5 – Visualisation des coefficients (courbes)
182.2 Bilan exploitation FH
La Recherche en Facteurs Humains a permis une grande quantité de travaux
très variés : publications, brevets, contrats, Projets de Fin d’Etudes, stages,
Projets d’Initiation à la Recherche...
2.2.1 Publications
1. Dehais, F., Causse, M., Vachon, F., Regis, N., Menant, E., Tremblay, S.
Failure to Detect Critical Auditory Alerts in the Cockpit : Evidence for
Inattentional Deafness. Human Factors. In Press
2. Dehais, F., Causse, M., Régis, N., Menant, E., Labedan, P., Vachon, F.,
& Tremblay, S. (2012). Missing Critical Auditory Alarms in Aeronautics :
Evidence for Inattentional Deafness ?. In Proceedings of the Human Fac-
tors and Ergonomics Society Annual Meeting (Vol. 56, No. 1, pp. 1639-
1643). SAGE Publications.
3. Causse, M., Phan, J., Ségonzac, T., & Dehais, F. (2012). Mirror Neuron
Based Alerts for Control Flight Into Terrain Avoidance. Advances in Cog-
nitive Engineering and Neuroergonomics, in AHFE,16, 157. San Francisco,
CA, USA
4. Dehais, F., Goudou, A., Labedan, P., Duret, V., Colongo, C., Pastor, J.
(2006) Neuropsychological aspects of autopilot supervision, , First Euro-
pean Workshop in Neuroergonomics (NPsyErg06), Toulouse,France.
5. Dehais, F, Goudou, A., Lesire, C., Tessier, C. (2005) Towards an antici-
patory agent to help pilots, Asociation for the Advancement of Artificial
Intelligence (AAAI) Fall Symposium "From Reactive to Anticipatory Cog-
nitive Embodied Systems", Arlington, Virginia, USA.
2.2.2 Brevets
1. Dehais, F., Christophe, L., Merle, J.M., Pellerin, P. (2011) Method and
device for detecting lack of reaction from the crew of an aircraft to an
alarm related to a path. Patent Airbus operation (SAS)
2. Dehais, F., Lesire, C., Tessier, C., Christophe, L. (2010) Method and device
for detecting piloting conflicts between the crew and the autopilot of an
aircraft. Patent Airbus opération (SAS), PCT/FR2009/000648.
2.2.3 Projets
1. GHOST (AIRBUS 2004-20013) : Utilisation du simulateur pour tester des
solutions IHM avec les pilotes Airbus
2. MAIA (DGA MRIS 2013-2015) : Utilisation du simulateur pour réaliser
des expérimentations avec des capteurs phyisologiques
3. D3COS (ARTEMIS 2012-014) : Utilisation du simulateur pour tester des
techniques de mesures psycho-physiologiques
192.2.4 Thèses
1. Sergio Pizziol : Modélisation des conflits dans les interactions pilote/pi-
lote automatique
2. Gautier Durantin : Mesure en spectroscopie en proche infra-rouge des
états attentionnels
3. Nicolas Regis : Modélisation d’un vecteur d’état de l’oeil
4. Vsevolod Peysakhovich : Estimation de l’état attentionnel du pilote à
l’aide de moyens de mesures oculaires et cérébrales
5. Louise Giraudet : Etude de la surdité inattentionnelle en EEG.
2.2.5 Post-Doctorants, Stages
Post-Doctorants : Thibaut Gateau, Sébastien Scannella
20Chapitre 3
Compléments
3.1 Glossaire
CAS : Centre Aéronautique et Spatial
CDVE : Commandes De Vol Electriques
ECAM : Electronic Centralized Aircraft Monitoring
EFIS : Electronic Flight Instrument System
EWD : Engine Warning Display
FCTL : Flight ConTroL
FCU : Flight Control Unit
FH : Facteurs Humains
FMA : Flight Mode Annunciations
HUD : Head Up Display
ILS : Instrument Landing System
ISAE : Institut Supérieur de l’Aéronautique et de l’Espace
MCDU : Multifunction Control-Display Unit
ND : Navigation Display
PEGASE : Platform for Experiments on Generic Aircraft Simulation En-
vironment
PFD : Primary Flight Display
TDB : Tableau De Bord
VU : Visual Unit
3.2 Développements - Contacts
Tous les développements logiciels ont été réalisés au CAS :
Patrice LABEDAN : Patrice.Labedan@isae.fr
Guillaume GARROUSTE : Guillaume.Garrouste@isae.fr
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