Qu'est-ce qu'un HUD - Head Up Display ?


Pilotage assisté grâce au HUD : tour d'horizon

24 septembre 2018
Présentation du HUD - Head Up Display ou affichage tête haute pour l'assistance au pilotage d'avions et d'aéronefs civils et militaires

Un HUD - Head Up Display - est un moyen de présenter l'information au pilote dans la ligne de sa vision vers l'avant externe qui projette les données clés des instruments de vol sur un petit écran "transparent" positionné juste devant la ligne de visée du pilote regardant devant lui hors de l'avion.

D'abord les collimateurs et maintenant la technologie holographique fait que l'image sur l'écran semble être loin devant l'avion, de sorte que le pilote n'a pas à changer la mise au point des yeux pour voir un écran qui n'est peut-être qu'à 20 cm de distance. Le principal avantage de ce système a été perçu comme facilitant, dans les deux sens, la transition entre le contrôle de l'avion par référence au tableau de bord et par référence à des repères externes. Il facilite également la combinaison de ces sources pour les opérations pilotes uniques.


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Il n'est pas surprenant que les applications militaires aient ouvert la voie, mais après l'introduction de la première application HUD civile en 1993, les applications de l'aviation générale et des compagnies aériennes se sont multipliées et aujourd'hui, tous les derniers types d'avions à équipage multiple ont des options de système HUD. Le HUD sur les avions civils à équipage multiple a été limité à une seule installation latérale, seuls les transports militaires Boeing C-17 et Lockheed C130J disposent d'installations doubles complètement indépendantes. Aujourd'hui, cependant, la demande des clients a conduit au développement d'un système de guidage à double tête haute LCD pour l'Embraer 190. Tous les grands avionneurs qui ont développé à l'origine des équipements pour le marché militaire approvisionnent désormais également le marché civil. Il existe d'autres noms pour un HUD, y compris VGS - Visual Guidance System, HGS - Head Up Guidance System, et HFDS - Head-up Flight Display System. On peut retrouver ces différents systèmes de visée dans de nombreux jeux de simulation pour le plus grand bonheur des pilotes virtuels !


Composants du système HUD

* Un ordinateur pour recevoir les données de l'avion et générer des symboles d'affichage.

* Une unité aérienne pour monter le tube cathodique (CRT) qui projette l'image assemblée sur l'écran d'affichage transparent devant le pilote.

* L'écran d'affichage transparent - appelé combineur - qui est un " élément optique holographique " en verre ou en plastique qui reflète l'image projetée vers les yeux du pilote sans interférer avec le passage de la lumière ambiante.

* Un panneau de contrôle pour permettre au pilote de sélectionner diverses options d'affichage et d'entrer des données non reçues et intégrées par l'ordinateur à partir des capteurs de l'avion.

* Un panneau de notification pour fournir l'état du HUD et des informations d'alerte.


Contenu du HUD

Un HUD initial fournissait généralement une combinaison de données situationnelles et d'orientation. La plupart de ces données proviennent de l'affichage "tête en bas" du PFD (HDD - Head-Down Display) ou des instruments analogiques équivalents. Depuis les premiers jours de l'EFIS, la taille des écrans EFIS HDD a considérablement augmenté, de sorte que beaucoup plus d'informations peuvent être affichées sur un écran de vol primaire (PFD) et donc aussi sur un HUD correspondant. La vitesse, l'altitude, le traceur et l'alignement de descente ont rapidement fusionné avec les principales informations dérivées sur l'état énergétique de l'avion - un vecteur de trajectoire de vol (tendance) (FPV).

Viennent ensuite un marqueur de trajectoire de vol, un vecteur de tendance de vitesse, une indication d'angle d'attaque et une représentation théorique des pistes. Certains systèmes comportent également une partie ou la totalité des repères de signaux lumineux d'atterrissage, des avertissements d'impact de queue, des indications d'altitude inhabituelle et de cisaillement du vent, des indications de marge de décrochage et des alertes et avis du TCAS. Pour l'atterrissage ou le décollage interrompu par faible visibilité, les affichages de la distance de piste restante et de la décélération au sol peuvent être une aide cruciale pour éviter les sorties de piste. Un affichage de décélération actuellement disponible donne les performances de freinage sous forme de 1, 2, 3 ou MAX qui correspondent directement aux réglages de freinage automatique, de sorte que pour l'atterrissage, un affichage clair de tout état de contamination inattendu de la surface de la piste est fourni.


Difficultés potentielles avec les HUDS

Deux problèmes clés ont été régulièrement identifiés avec l'utilisation du HUD, qu'il est important d'aborder au cours de la formation spécifique de l'équipage du vol nécessaire à son utilisation :

* Capture de l'attention, également connu sous le nom de tunnel, dans lequel les pilotes peuvent se concentrer sur l'affichage HUD à l'exclusion d'une référence adéquate aux événements ou à l'information à l'extérieur de l'avion.

* L'information critique dans la scène extérieure de l'avion est obscurcie par l'imagerie d'affichage ; la solution de conception pour cela est de maintenir la quantité de symboles assez bas pour éviter l'encombrement. Réduire l'encombrement peut aussi aider à capter l'attention.


Développements techniques du HUD

Exemple d'un HUD à bord d'un avion de ligne Boeing 787
Exemple d'un HUD à bord d'un avion de ligne Boeing 787

ARINC 764 publié en 2005 est la norme technique pour l'avionique HUD. Il décrit les facteurs de forme physique, les dimensions d'ajustement, la définition de l'interface électrique et les fonctions typiques du HUD. Le développement technique du HUD se concentre sur deux domaines : le premier est l'intégration du système de vision améliorée (EVS) et peut-être des systèmes de vision synthétique (SVS) ; le second, avec des avions plus petits comme le VLJ à l'esprit, est une alternative au système de projection d'images CRT.

La fixation d'une source d'image LCD sur le verre combinant au lieu d'utiliser la projection CRT visait à l'origine à économiser du poids en utilisant une technologie similaire à celle employée dans un projecteur multimédia numérique, qui nécessite également une alimentation de tension inférieure ou fonctionne à chaud. Ce procédé alternatif de génération d'images a été adopté par Airbus (A340-600) et Boeing (B787) ainsi que par Embraer (ERJ 190). La méthode LCD est capable de fournir un champ de vision plus large que le CRT, ce qui devrait permettre au pilote de voir correctement l'information dans des vents de travers plus forts et de gérer plus facilement l'angle d'approche et l'énergie pendant les approches circulaires et autres approches non standard. Il est également considéré comme susceptible d'accroître la fiabilité globale du système et de produire à la fois des images plus nettes et une meilleure présentation des nuances de gris sous une lumière ambiante vive.

La capture des données EVS est basée sur des capteurs infrarouges tournés vers l'avant (FLIR) situés dans le nez de l'avion qui capturent les images thermiques des feux d'approche et des feux de piste, qui émettent environ trois fois plus d'énergie infrarouge que la lumière ambiante. Les présentations EVS n'impliquent pas nécessairement le HUD, mais offrent des avantages considérables par rapport à un système HUD. L'image lumineuse détectée est traitée électroniquement et affichée sur le HUD afin qu'elle soit conforme au reste de l'imagerie HUD. Par exemple, les feux de piste apparaîtraient à l'intérieur du contour de la piste généré par le HUD. Les capteurs infrarouges fonctionnent beaucoup mieux dans l'air sec que dans l'air humide et, bien que la pénétration du brouillard et des nuages soit possible, lorsque les conditions s'aggravent en présence de nuages denses ou de brouillard épais, les performances se réduisent à néant.

Dans ce modèle général, l'étendue de l'image divulguée dépend de la longueur d'onde du capteur utilisé. La meilleure pénétration globale de la météo ainsi que la meilleure imagerie des pics d'émission localisés de l'éclairage est obtenue à la longueur d'onde relativement courte de 1 à 5 microns utilisée par les capteurs iridium-antimonide. Les 8-14 microns utilisés par la technologie alternative du microbolomètre, qui détecte le rayonnement infrarouge en utilisant les changements de température qu'il induit, pénètre légèrement moins, mais donne une meilleure image des détails de fond comme le terrain et les dangers aéroportuaires comme l'obstruction de piste ou l'incursion. Le futur EVS est susceptible d'impliquer également le développement et la certification de radars à ondes millimétriques pour une pénétration météorologique encore plus grande.

Le problème à résoudre ici, cependant, est que, comme tous les radars météorologiques, la sortie brute nécessite un temps d'interprétation, ce qui est contraire à la livraison nécessaire par un HUD d'une " image instantanée ". L'écran LCD plutôt que la source CRT est maintenant privilégié pour la présentation de l'image EVS HUD en raison de la définition plus précise et de la meilleure performance des niveaux de gris en lumière vive dont il a été question précédemment. Cela sera important si l'on veut que la détection des dangers imminents d'incursion sur piste soit efficace.

Le SVS nécessite l'affichage d'images assemblées à partir d'une base de données embarquée. Il est attrayant parce qu'il n'est pas soumis à des limitations de capteurs mais vulnérable à l'intégrité de la base de données. On ne sait pas encore clairement s'il fera probablement partie d'un système HUD typique. Il y a certainement des questions complexes à aborder si l'on veut que cette présentation soit utilisable. Certains fabricants sont déjà favorables à l'utilisation du SVS par le HUD, parallèlement à l'utilisation du EVS par le HUD. La NASA, dans le cadre de son projet Integrated Intelligent Flight Deck Technologies (IIFDT), qui fait partie du Programme de sécurité aérienne de la NASA (AvSP), examine le SVS et son intégration possible avec le HUD/EVS.


Les avantages pour la sécurité

Les avantages "appliqués" d'un HUD à la sécurité des vols des aéronefs de transport ont été perçus principalement comme l'amélioration de la conscience de la situation pour le vol dans des conditions de visibilité limitée (ou nocturne) à proximité du relief visible, de l'eau, d'obstacles au sol ou d'autres aéronefs ; ceci parce qu'il est possible de maintenir une veille externe sans perdre l'accès aux instruments clés de l'aéronef. Cela s'applique à la montée initiale après le décollage, mais c'est particulièrement vrai pour la phase d'approche et d'atterrissage du vol, où se produisent la majorité de tous les accidents d'avion - et la majorité des accidents CFIT mortels aux avions de transport public. C'est là qu'un HUD peut visualiser pour le pilote tout "écart" qui peut exister entre la trajectoire de l'avion jusqu'à un atterrissage en toute sécurité et une projection des implications de l'état actuel de l'avion en projetant le point de toucher des roues.

Une étude de la FSF s'est penchée sur 1079 accidents de transport de jets civils qui se sont produits entre 1959 et 1989, avant l'apparition des HUD. Il a conclu que si un HUD avait été installé et exploité par un équipage de vol bien formé, il aurait pu prévenir ou influencer positivement 33 % des accidents avec perte totale et 29 % des accidents avec perte partielle majeure. Le Groupe de travail sur la réduction des accidents à l'approche et à l'atterrissage (ALAR) de la FSF a recommandé que les compagnies aériennes et les exploitants d'avions d'affaires installent des HUD qui affichent les données sur l'angle d'attaque et la tendance des vitesses afin d'améliorer la sensibilisation des équipages de conduite à l'état énergétique de leurs avions. L'actuelle Global Aviation Safety Road Map inclut le HUD dans les recommandations pour une meilleure utilisation de la technologie afin d'améliorer la sécurité des opérations aériennes pendant l'approche et l'atterrissage.


Lower Approach Minima

Le HUD a été utilisé très tôt comme un autre moyen de vol manuel pour effectuer des atterrissages automatiques ILS Cat 3a par faible visibilité, principalement en raison des coûts d'entretien du système moins élevés et d'une meilleure fiabilité que le système autoland " traditionnel ". Il a également permis d'effectuer ces approches par faible visibilité sur les pistes sans l'équipement au sol habituel et sans la redondance nécessaire pour appuyer les approches ILS dans ces conditions. La certification de la FAA est maintenant accordée sélectivement aux systèmes EVS HUD pour utiliser des minima plus bas que ceux publiés pour les approches directes utilisant à la fois les approches ILS de catégorie 1 et les approches de non-précision effectuées en utilisant les procédures pour une approche finale en descente continue. Les deux sont capables d'utiliser une DH de 100 pieds au-dessus de l'élévation du seuil de référence avant que l'acquisition standard de référence visuelle ne soit requise.

Lire également l'article : Head-up Guidance System Technology (HGST) - A Powerful Tool for Accident Prevention.


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