WO2014122176A1 - Mini-manche de commande électromagnétique à retour d'effort - Google Patents
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- WO2014122176A1 WO2014122176A1 PCT/EP2014/052255 EP2014052255W WO2014122176A1 WO 2014122176 A1 WO2014122176 A1 WO 2014122176A1 EP 2014052255 W EP2014052255 W EP 2014052255W WO 2014122176 A1 WO2014122176 A1 WO 2014122176A1
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Definitions
- the present invention relates to a mini-joystick electromechanical control force feedback.
- One field of application of the present invention is the production of mini-handles for the piloting of aircraft, such as for example an airplane or a helicopter.
- an aircraft In the aeronautical field, an aircraft is a flying apparatus having levitation means and propulsion means enabling it to move.
- control means are provided and they act on moving elements called control surfaces.
- the aircraft When the aircraft flies, it can pivot about three axes, called pitch axis, roll axis and yaw axis by acting on the corresponding control surfaces provided for this purpose.
- a handle means a device allowing an aircraft pilot to control the attitude of the aircraft on its pitch and roll axes. These actions then make it possible to incline the device in turn and change of altitude.
- a cable system provides a connection between the handle and the control surfaces and a pilot, by operating the stick, directly transmits his efforts to the control surfaces.
- This device is still used on "light" aircraft. On heavier planes, hydraulic devices can assist the pilot.
- the control surfaces are connected to electric actuators and that the handle thus transmits more physical effort. In this case, the handle is most often reduced in size and is then called mini-sleeve.
- the term sleeve designates both a "classic" handle that extends from the ground (of a cockpit) to the hand of a pilot sitting on a pilot's seat that a mini-handle is presenting in the form of a controller and can take place at various locations in an aircraft cockpit within reach of course a pilot.
- pilot refers to both the pilot of an aircraft (airplane, helicopter or other) than a possible co-pilot.
- the link between the control stick and the control surfaces the aircraft is thus provided by a transmission system associated with electronic control means and providing the necessary forces, for example by driving electric actuators, to impose the control surfaces to take the orientation corresponding to the position of the handle.
- a transmission system associated with electronic control means and providing the necessary forces, for example by driving electric actuators, to impose the control surfaces to take the orientation corresponding to the position of the handle.
- a force feedback device simulating a control-feedback effort of the control surfaces on a "conventional" handle.
- a mini-stick has a joystick guided by a system with gimbals and rods which are associated with various sensors including position sensors. The return of effort is often obtained by simple springs. This solution does not make it possible to control the counter-reaction force. It is also known to use reducers or linear type cylinders. However, reversibility problems arise.
- Document DE-195 01 439 discloses an electromechanical device having a moving part, or rotor, on which an electromagnetically produced torque can be exerted. This torque is transmitted without contact and without mechanical coupling to the rotor.
- the stator comprises a cylinder head with a base and side pieces as well as pole pieces having a slot defining two teeth.
- the rotor is formed of a magnetized cylinder or ring disposed between an upper pole piece and a lower pole piece and an actuating handle. The rotor is mounted on a bearing leaving him two or three degrees of freedom. A current flowing in coils associated with the side pieces produces a magnetic field which is asymmetrical when the handle is not at rest and thereby creates a return torque by the reluctance effect.
- the document WO-00/03319 discloses a control system for a pointer placed on a computer screen or the like, using a pointing device of a type known per se.
- the pointing device includes an indicator device providing tactile feedback to the user for transmitting information on the movements of the pointers on the screen.
- This indicator device is designed to transmit information in at least two dimensions.
- the system used here uses an operating principle very similar to that described in document DE-195 01 439, without however presenting an operating handle.
- the present invention therefore aims to provide a mini-handle having a force feedback system for exerting on the lever of a mini-stick a representative effort of a return force of control surfaces.
- the return of forces is not necessarily controlled by a law dependent solely on the position of the mini-handle but may involve other parameters.
- the system provided by the invention will position the mini-stick in various positions without mechanical action on it.
- the proposed device will be advantageously compact and preferably more compact than current systems so as to obtain a mini-sleeve less bulky than the known mini-sleeves.
- the present invention firstly proposes a mini-joystick with a force feedback control comprising a lever having a degree of freedom in rotation around a first axis of articulation.
- such a mini-handle comprises:
- the first articulation part having a first part with a first magnetic polarity and a second part with a second magnetic polarity opposite to the first magnetic polarity
- the second pole piece arranged facing substantially (or only) the second part of the first articulation piece
- first polarization means making it possible to act on the first pole piece to polarize it according to the first magnetic polarity
- second polarization means for acting on the second pole piece to polarize it according to the second magnetic polarity
- control means acting on the first biasing means and on the second biasing means so as to vary the magnetic field created by the first polarization means and the magnetic field created by the second polarization means as a function of the polarization signals; measuring position and / or movement and possibly a predetermined force return law.
- This original structure for a mini-stick proposes to put the joystick on magnetic bearings and to act on magnetic fields reigning at air gaps to control a return torque (or return efforts) on the joystick. It is also possible with such a structure to act on the joystick to move it only by managing the polarization means.
- each pole piece is placed opposite a single part of the articulation piece and that it is not expected that it will come into contact with to the other part of the articulation piece. It may possibly come to overflow the part of the articulation piece in front of which it is in function in particular of the position of this articulation piece but such an overflow remains marginal.
- the aim here is to put a pole piece with a magnetic polarity opposite one side by the polarization means and on the other side a part of the hinge piece with a single polarity (and not vis-à-vis two different polarities as in the state of the art).
- each pole piece is only facing a portion of the hinge piece in a position that could be called neutral position, or rest position. It can also be provided that the pole pieces are such that in all positions of the hinge piece, each pole piece is facing a single part of the hinge piece.
- control of the joystick is intended to achieve a force feedback and a predetermined force return law is used to control the device.
- a control law other than the evoked force feedback law will be used to control the joystick.
- the structure proposed above concerns a mini-stick with a joystick with a degree of freedom.
- This structure can also be adapted to a mini-handle whose handle has a second degree of freedom around a second axis of articulation.
- a mini-handle then includes, for example, in addition:
- a part called a second articulation part having a third part with a first magnetic polarity and a fourth part with a second magnetic polarity opposite to the first magnetic polarity
- reversible movement transmission means between the second articulation piece and the handle connecting the second articulation piece to said handle such that a rotational movement of the handle around the second articulation axis is transmitted to the second hinge piece that can also cause the controller to rotate around its second axis of articulation
- the third pole piece arranged facing essentially (or only) the third part of the second articulation piece
- the fourth pole piece arranged facing essentially (or only) the fourth part of the second articulation piece
- third polarization means making it possible to act on the third pole piece to polarize it according to the first magnetic polarity
- fourth means of polarization making it possible to act on the fourth pole piece to polarize it according to the second magnetic polarity.
- This structure is a combination of two structures adapted for a joystick with a degree of freedom.
- the present invention proposes on the same inventive principle as above, a mini-joystick with a force feedback control comprising a joystick having a first degree of freedom in rotation about a first axis of articulation and a second degree of freedom in rotation about a second axis of articulation.
- This mini-sleeve comprises:
- hinge part having a first part having a first magnetic polarity and a second part having a second magnetic polarity inverse of the first magnetic polarity
- reversible movement transmission means between the articulation piece and the handle connecting said articulation piece to said handle so that the movements of rotation of the handle around the first articulation axis and around the second axis articulation are transmitted to the articulation piece which can also cause the handle to rotate about the first articulation axis and around the second articulation axis,
- the first pole piece at least two pole pieces, called the first pole piece and the third pole piece, arranged facing substantially (or only) the first part of the articulation piece,
- second pole piece and fourth pole piece disposed vis-a-vis essentially (or only) of the second part of the articulation part
- first polarization means for acting on the first and third pole pieces to polarize them according to the first magnetic polarity
- second polarization means for acting on the second and fourth pole pieces to polarize them according to the second magnetic polarity
- control means acting on the first biasing means and on the second biasing means so as to vary the magnetic field created by the first polarization means and the magnetic field created by the second polarization means as a function of the polarization signals; measuring position and / or movement and possibly a predetermined force return law.
- At least one articulation piece comprises a central magnet placed between two parts made of a magnetic material so that a part is polarized by the magnet according to a first magnetic polarity and that the other part is polarized by the magnet in a magnetic polarity inverse to the first magnetic polarity.
- the polarization means implemented in a mini-stick according to the invention comprise for example a coil disposed around a core of magnetic material and means for supplying the coil with electrical current.
- each pole piece is advantageously polarized by a magnet. It is thus possible to obtain a stable position of the mini-handle even in the absence of current.
- each pole piece disposed vis-à-vis a portion of articulation part has a surface facing the hinge piece made so that during a rotation of the hinge piece about an axis of articulation the distance between a given point of said surface and the hinge piece varied.
- FIG. 1 schematically shows in elevation a first embodiment of the present invention in which a mini-handle has a handle with a single degree of freedom
- FIG. 2 is a view similar to that of FIG. 1 in which the handle is in a different position
- FIG. 3 is an enlarged detail view of FIG. 2 illustrating the forces and torques involved
- FIG. 4 is a schematic perspective view of a second embodiment of the present invention in which a mini-handle has a handle with two degrees of freedom
- FIG. 5 illustrates an alternative embodiment for the embodiments of the preceding figures
- FIG. 6 schematically illustrates in perspective a third embodiment of the present invention
- FIG. 7 schematically illustrates in perspective a fourth embodiment of the present invention
- FIG. 8a is a diagrammatic elevational view of a fifth embodiment of the invention.
- Figure 8b schematically illustrates in perspective the fifth embodiment of Figure 8a
- Figure 9 schematically illustrates an example of architecture overall of a mini-handle according to the present invention.
- the present invention relates to a mini-stick that can be used for piloting an airplane or a helicopter.
- other applications of the present invention can be envisaged, for example for a control system in a land or naval machine, for example construction equipment, crane, ship, submarine, ....
- a mini-handle has a housing (not shown in the drawing) inside which there is a mechanism associated with a lever 2.
- the mechanism has magnetic bearings and / or a magnetic ball as described below.
- Figures 1 to 3 relate to movement only around a single axis of articulation. It is conceivable to have a mini-handle whose lever 2 moves with only one degree of freedom without departing from the scope of the present invention, even if the present invention is more particularly adapted to a mini-handle with a joystick with two degrees of freedom.
- the handle 2 is associated with a hinge piece which is here in the form of a ball 4 on which it is fixed.
- the ball 4 is mounted on magnetic bearings defined by polar parts described below.
- the ball 4 of Figures 1 to 3 is formed of a magnet 6 having a north pole and a south pole, a first half-sphere 8 and a second half-sphere 10.
- the magnet 6 has the shape of a disk and is cut in a magnetic material so that the north pole corresponds to one face of the disk and the south pole to the opposite face.
- Each half-sphere here has a diameter corresponding to the diameter of the magnet 6.
- a planar face of each half-sphere coincides with one face of the magnet 6.
- These two half-spheres are each made of a magnetic material so that they are both polarized.
- the first half-sphere 8 corresponds to the north pole of the magnet 6 while the second half-sphere 10, of magnetic polarity opposite to the magnetic polarity of the first half-sphere 8, corresponds to the south pole of the magnet 6.
- first half-sphere 8 facing two first pole pieces 12 polarized so as to correspond to a north pole and to have the second half-sphere 10 facing two second pole pieces 14 polarized so as to correspond to a south pole.
- the pole pieces exert a repulsive force on the ball 4 and form magnetic bearings.
- each pole piece only faces a part of the ball 4, that is to say a half-sphere, without coming to face the other part (half-sphere) of the ball which is polarized in reverse.
- each set comprising a first pole piece 12, a second pole piece 14 and a magnet 16.
- each set has a global shape of a C clip.
- the magnet 16 is placed between the first pole piece 12 and the second pole piece 14 so that the first pole piece 12 is on the north pole side of the magnet 16 and the second pole piece 14 on the side of the south pole of the magnet 16.
- FIG. 4 in perspective illustrates four sets such as the two sets shown in elevation in FIGS. 1 and 2 and shows an example of shapes that can be adopted by the pole pieces and arrange them around of a ball 4.
- induction coils 18 arranged around the first pole piece 12 and around the second pole piece 14 are connected so that the same current flows in the two coils 18 of the same set.
- a magnetic field will be added to, or subtracted from, the magnetic field corresponding to the bias field of the corresponding magnet 16.
- Figure 1 illustrates the ball 4 in an equilibrium position, the lever 2 is then in a position called neutral position. In this position, it is assumed that all the air gaps (between each of the two parts of the ball 4, that is to say here the half-sphere 8 and the half-sphere 10, and each of the pole pieces) is the same. . It is further assumed that the shape of the surfaces of the pole pieces facing the ball 4 is adapted to the outer spherical shape of each of the half-spheres so that the air gap between the half-sphere and the pole piece is of substantially constant thickness.
- Figure 2 illustrates the handle 2 in a position rotated relative to the equilibrium position of Figure 1. This position can be reached either following an action of a user on the lever 2, or following a modification of the magnetic fields around the ball 4.
- the air gaps defined in the previous paragraph have changed. Indeed, each pole piece faces the ball 4 a spherical shape but the four spherical surfaces belong to two separate spheres.
- the axis of rotation of the ball does not correspond to a main axis (or revolution) of these two spheres. There is therefore modification in the air gaps between the half-spheres of the ball 4 and the pole pieces.
- FIG. 3 illustrates forces exerted on the ball 4 and issuing from the magnetic fields surrounding it when the ball 4 is in the position shown in FIG. 2.
- a mark with FIG. an abscissa axis (marked x) and an ordinate axis (marked y).
- the x-axis can be assumed to be horizontal while the y-axis is assumed to be vertical. This orientation is chosen here for the description but another orientation could also be chosen.
- FIG. 3 also shows a force F1 1 which corresponds to the force exerted by a first set on the first half-sphere 8.
- forces FI 2, F 21 and F 22 respectively correspond to the action exerted by the first set on the second half-sphere 10, the action exerted by the second set on the first half-sphere 8 and the action exerted by the second set on the second half-sphere 10.
- these forces are supposed to be exerted in the center of the junction surface between the half-sphere concerned and the magnet 6.
- the ball 4 is in a position such that the application points of the forces F01 and F02 are on the ordinate axis. The resulting forces are further aligned on the y-axis. Because of this, there is no resulting torque.
- the tilting of the ball joint or the modification of the magnetic fields in the pole pieces by applying currents in the induction coils modifies the ratio of the amplitudes of the applied forces, thus causing a reaction torque.
- FIG. 4 illustrates an embodiment of the invention in which the handle 2 is rotatable along two axes of articulation.
- the elements illustrated in FIGS. 1 and 2 we find the elements illustrated in FIGS. 1 and 2 and add a third set and a fourth set similar to the first set and the second set.
- the third set is arranged with respect to the fourth set in the same manner as the first set is relative to the second set.
- the third set and the fourth set are then arranged around the ball 4 being offset with respect to the first set and the second set of 90 °.
- a system is provided making it possible to generate force feedback by regulating the currents flowing in the induction coils when the lever 2 pivots about two axes of articulation, for all the positions that can take said joystick in a given angular range.
- FIG. 4 there are thus third pole pieces 20 and fourth pole pieces 22.
- the third set and the fourth set each comprise a third pole piece 20 and a fourth pole piece 22 separated by a magnet 16 of which the north pole is attached to the third pole piece 20 and whose south pole is attached to the fourth pole piece 22.
- FIG. 5 illustrates a mini-stick for which the coils 18 have been doubled so as to have a redundant system.
- FIG. 6 illustrates a simplified variant embodiment of the present invention with respect to the embodiment of FIG. 4.
- the ball 4 comprises a central magnet 6 having the shape of a half-disk and disposed between a first part 8 quarter-shaped sphere and a second portion 10 also quarter-sphere shape.
- the orientation of the handle 2 relative to the magnet 6 is different. While in the previous embodiments, the handle 2 was perpendicular to the magnet 6, it is in the plane of the magnet 6 in Figure 6.
- a mechanical ball 5 (and its corresponding bearing not shown) for example is also expected.
- FIG. 6 provides four pole pieces, a first pole piece 12 facing (only) at first part 8, a second piece polar part 14 facing (only) with first part 10, a third pole piece 20 facing (only) with first part 8 and a fourth pole piece 22 facing (only) with first part 10.
- each pole piece is associated a induction coil 18 to allow the magnetic field to be modified in the gap between each pole piece and the ball 4.
- the first pole piece 12 and the second pole piece 14 can act on the ball 4 by circulating a current in the coils 18 induction, so as to exert a resistant torque on the ball 4 or to move the lever 2 without action from a user (in a vion for example, when a mini-round is doubled, it is known to move the second mini-stick in the position that a user has taken the first mini-round).
- the third pole piece 20 and the fourth pole piece 22 can act, by circulating a suitable current in the corresponding induction coils 18, on the ball 4.
- the polar parts are here also biased by a magnet 16 (and by the coils 18).
- Sets are also formed with a magnet 16 sandwiched between two pole pieces.
- a pole piece of the set relates to an action in one plane and the other relates to an action in the plane. perpendicular.
- the skilled person will immediately notice that in this case it is no longer a question of interconnecting the coils 18 of the same set.
- FIG. 7 completely decouples the action exerted by the system on the lever 2 according to a first axis of articulation of the lever 2 of the action exerted on it according to a second axis of articulation.
- the handle 2 is not fixed relative to a ball but a transmission mechanism is provided between the handle 2 and the elements mounted as magnetic bearings.
- the handle 2 is articulated through a system obtained by combining a gimbal 24 and a pantograph 26 so that when the lever 2 pivots in a direction x, it causes in rotation an X axis and when the lever 2 pivots in a direction y, it rotates a Y axis.
- the X axis carries at one of its ends the cardan 24 while the pantograph 26 rotates the Y axis.
- the X axis and the Y axis each carry a part comprising a first part 8 made of magnetic material polarized according to a first magnetic polarity and a second portion 10 of magnetic material polarized according to a reverse magnetic polarity with respect to the first magnetic polarity.
- This piece is called here too, as in this document, "patella”.
- the ball carried by the X axis is referenced 4X while the other ball, carried by the Y axis is referenced 4Y.
- Each ball is integral with the axis that carries it.
- Figure 7 proposes to conform each ball in a circular cylinder portion having in the middle position a magnet 6 on either side of which is a first portion 8 of magnetic material and a second portion 10 of magnetic material.
- the ball joints 4X and 4Y are indeed positioned on the X axis and the Y axis so that their stable equilibrium position corresponds to the "rest" position of the lever 2. It should be noted here that the system between the 4X and 4Y ball joints could be different from the system illustrated in FIG. 7. It is important, however, that, on the one hand, the lever 2 can rotate the X and Y axes and that, on the other hand, an action on the X and Y axes can be retransmitted to the controller. The transmission system between the ball joints and the handle must therefore be reversible.
- the patella 4X is placed between two pole pieces: a first pole piece 12 facing the first part 8 (only) of the ball 4X and a second pole piece 14 facing (only) the second part 10 of the ball 4X.
- the ball 4Y is placed between two pole pieces: a third pole piece 20 facing (only) the first part 8 of the ball 4Y and a fourth pole piece 22 facing (only) at the second part 10 of the 4Y ball joint.
- Each pole piece is associated, on the one hand, with a magnet 16 polarizing it and, on the other hand, an induction coil 18.
- the end of the pole pieces facing the corresponding ball is here also shaped so that the air gap is substantially constant over the entire surface vis-à-vis in the rest position, this gap varies when the corresponding ball pivots around its axis.
- the pole pieces are each facing a portion of the corresponding ball joint of the same magnetic polarity so as to create a repulsive force all the greater as the gap decreases.
- FIG. 8a and 8b A fifth embodiment is illustrated in Figures 8a and 8b. This is actually an alternative embodiment of the third embodiment of Figure 6.
- the ball 4 is cubic (or parallelepiped). By means of suitable joints, a (lower) face of the cubic ball 4 remains parallel to a reference plane (for example horizontal). The ball 4 then moves between the four pole pieces of the system, the equilibrium position being reached when the four corresponding gaps are equal.
- the described system is of course associated with electronic control and control means.
- Position sensors are provided to know the position of the lever 2.
- a force feedback is determined by a computer, for example a microcontroller .
- the intensity of the effort in Newton or in Newton meter
- electrical intensity in Ampere
- FIG. 9 shows a main control system 44 and A redundant control system 46. These two systems are similar and have the same structure. They can each be assembled to form an assembly, and the two sets obtained can be superimposed as illustrated in FIG. 9, on which only the elements of the main control system 44 are seen.
- the main control system 44 includes a microcontroller 48 associated with a communication interface 50 with other electronic systems. If the lever 2 is intended for controlling the inclination of an aircraft (airplane or helicopter) along its roll axis and its pitch axis, provision is made for example a first set 52 for the regulation of the system on the axis roll and a second set 54, substantially similar to the first set 52, for regulating the system on the pitch axis.
- Figure 9 also shows various elements of a mini-stick according to the invention to better illustrate the functions of the control system.
- the present invention makes it possible to produce a mini-stick that can be used for piloting an aircraft, airplane or helicopter, for example.
- This mini-stick may in particular serve as control member in rolling and pitching of the aircraft.
- a force feedback is integrated into the structure of the mini-stick.
- the efforts produced are due to the opposition of magnetic fields created between fixed pole pieces and a moving part in connection with a mini-handle lever. Air gaps are created between the fixed pole pieces and the moving part. An equilibrium, corresponding for example to a rest position, is obtained when all air gaps are identical.
- the force feedback law is applied by managing flows of electric currents in induction coils. It is thus possible to have a fast and accurate control of the forces exerted on the handle of the mini-handle.
- the adjustment of the efforts (or couples) return can be obtained by calculation knowing the position of the joystick to manage and / or by adding force sensors to enslave the efforts (couples) returned.
- the hinges described above can be maintained only by the magnetic bearings described (in particular Figure 4) but may also require mechanical guidance of the ball joint. Guidance of this type or of a another type, adapted to the situation (shape of the patella and environment), may be provided for the other embodiments.
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Abstract
Ce mini-manche comporte : - une manette (2) - une pièce d'articulation (4) présentant une première partie (8) présentant une première polarité magnétique et une seconde partie (10) présentant une seconde polarité magnétique, - une liaison entre la pièce d'articulation (4) et la manette (2), - une première pièce polaire (12), disposée en vis-à-vis de la première partie (8), - une seconde pièce polaire (14), disposée en vis-à-vis de la seconde partie (10), - des premiers moyens de polarisation (18) permettant d'agir sur les pièces polaires (12, 14) - des capteurs de position de la manette (2), et - des moyens de commande agissant en fonction des signaux de mesure des capteurs et d'une loi de retour d'effort prédéterminée.
Description
MINI-MANCHE DE COMMANDE ÉLECTROMAGNÉTIQUE À RETOUR
D'EFFORT
La présente invention concerne un mini-manche de commande électromécanique à retour d'effort.
Un domaine d'application de la présente invention est la réalisation de mini-manches pour le pilotage d'aéronefs, tels par exemple un avion ou un hélicoptère. Dans le domaine aéronautique, un aéronef est un appareil volant présentant des moyens de sustentation et des moyens de propulsion lui permettant de se mouvoir. Pour piloter un aéronef, des moyens de commande sont prévus et ils agissent sur des éléments mobiles appelés gouvernes. Lorsque l'aéronef vole, il peut pivoter autour de trois axes, appelés axe de tangage, axe de roulis et axe de lacet en agissant sur les gouvernes correspondantes prévues à cet effet.
Un manche désigne un dispositif permettant à un pilote d'aéronef de commander l'attitude de l'aéronef sur ses axes de tangage et de roulis. Ces actions permettent alors d'incliner l'appareil en virage et en changement d'altitude.
Classiquement, un système de câbles assure une liaison entre le manche et les gouvernes et un pilote, en manœuvrant le manche, transmet directement ses efforts aux gouvernes. Ce dispositif est encore utilisé sur des avions "légers". Sur des avions plus lourds, des dispositifs hydrauliques permettent d'assister le pilote. Enfin, sur des avions récents, il est courant que les gouvernes soient reliées à des actionneurs électriques et que le manche ne transmette ainsi plus d'effort physique. Dans ce cas, le manche est le plus souvent de taille réduite et est alors appelé mini-manche. Par la suite, le terme manche désigne aussi bien un manche "classique" qui s'étend du sol (d'un cockpit) jusqu'à portée de main d'un pilote assis sur un siège de pilotage qu'un mini-manche se présentant sous la forme d'une manette et pouvant prendre place à divers endroits dans un cockpit d'aéronef à portée de main bien entendu d'un pilote. En outre, le terme pilote désigne aussi bien le pilote d'un aéronef (avion, hélicoptère ou autre) qu'un éventuel copilote.
Dans un aéronef moderne, la liaison entre le manche et les gouvernes
de l'aéronef est ainsi assurée par un système de transmission associé à des moyens de contrôle électroniques et fournissant des efforts nécessaires, par exemple en pilotant des actionneurs électriques, pour imposer aux gouvernes de prendre l'orientation correspondant à la position du manche. Comme il n'y a pas d'interaction directe entre le manche et les gouvernes, ces dernières ne peuvent retourner un effort de contre-réaction sur le manche.
Pour qu'une résistance variable s'oppose au déplacement du manche actionné par le pilote, il est connu de munir le manche d'un dispositif de retour d'efforts simulant un effort de contre-réaction des gouvernes sur un manche "classique". Le plus souvent, un mini-manche présente une manette guidée par un système à cardans et biellettes auquel sont associés divers capteurs et notamment des capteurs de position. Le retour d'effort est souvent obtenu par de simples ressorts. Cette solution ne permet pas de contrôler l'effort de contre réaction. Il est aussi connu d'utiliser des réducteurs ou bien des vérins de type linéaires. Toutefois, des problèmes de réversibilité se posent alors.
Le document DE-195 01 439 divulgue un dispositif électromécanique présentant une pièce mobile, ou rotor, sur laquelle un couple produit électro- magnétiquement peut être exercé. Ce couple est transmis sans contact et sans couplage mécanique au rotor. Le stator comporte une culasse avec une base et des pièces latérales ainsi que des pièces polaires présentant une fente définissant ainsi deux dents. Le rotor est formé d'un cylindre ou d'un anneau magnétisé disposé entre une pièce polaire supérieure et une pièce polaire inférieure ainsi que d'une manette d'actionnement. Le rotor est monté sur un palier lui laissant deux ou trois degrés de liberté. Un courant circulant dans des bobines associées aux pièces latérales produit un champ magnétique qui est asymétrique lorsque la manette n'est pas au repos et crée ainsi par l'effet de reluctance un couple de rappel.
Le document WO-00/03319 divulgue quant à lui un système de commande d'un pointeur placé sur un écran informatique ou analogue, utilisant un dispositif de pointage de type connu en soi. Ce dispositif de pointage comprend un dispositif indicateur offrant une rétroaction tactile à l'utilisateur, afin de transmettre des informations sur les déplacements des pointeurs sur l'écran. Ce dispositif indicateur est conçu de manière à transmettre des
informations dans au moins deux dimensions. Le système utilisé ici utilise un principe de fonctionnement très proche de celui décrit dans le document DE-195 01 439, sans toutefois présenter de manette d'actionnement.
Ces dispositifs de l'art antérieur permettent la création d'un couple en faisant varier la reluctance dans un système électromécanique. Le couple créé est un couple de rappel dans une position de référence. Il n'est pas prévu ici de venir agir sur le système pour l'amener dans une position autre que cette position de référence.
La présente invention a alors pour but de fournir un mini-manche présentant un système de retour d'efforts permettant d'exercer sur la manette d'un mini-manche un effort représentatif d'un effort de retour de gouvernes. Ainsi, le retour d'efforts n'est pas forcément commandé par une loi dépendante uniquement de la position du mini-manche mais pouvant faire intervenir d'autres paramètres. Avantageusement, le système fourni par l'invention permettra de positionner le mini-manche dans diverses positions sans action mécanique sur celui-ci.
Le dispositif proposé sera avantageusement compact et de préférence plus compact que les systèmes actuels de manière à obtenir un mini-manche moins encombrant que les mini-manches connus.
La présente invention propose tout d'abord un mini-manche de commande à retour d'effort comportant une manette présentant un degré de liberté en rotation autour d'un premier axe d'articulation.
Selon la présente invention, un tel mini-manche comporte :
- une pièce appelée première pièce d'articulation présentant une première partie avec une première polarité magnétique et une seconde partie avec une seconde polarité magnétique inverse de la première polarité magnétique,
- des moyens de transmission de mouvement réversibles entre la première pièce d'articulation et la manette reliant la première pièce d'articulation à ladite manette de telle sorte qu'un mouvement de rotation de la manette autour du premier axe d'articulation soit transmis à la première pièce d'articulation qui peut elle aussi entraîner la manette en rotation autour de son premier axe d'articulation,
- au moins une pièce polaire, dite première pièce polaire, disposée en vis-à-vis essentiellement (ou uniquement) de la première partie de la première pièce d'articulation,
- au moins une autre pièce polaire, dite seconde pièce polaire, disposée en vis-à-vis essentiellement (ou uniquement) de la seconde partie de la première pièce d'articulation,
- des premiers moyens de polarisation permettant d'agir sur la première pièce polaire pour la polariser selon la première polarité magnétique,
- des seconds moyens de polarisation permettant d'agir sur la seconde pièce polaire pour la polariser selon la seconde polarité magnétique,
- des moyens fournissant des signaux de mesure représentatifs de la position et/ou du mouvement de la manette ou de la première pièce d'articulation, et
- des moyens de commande agissant sur les premiers moyens de polarisation et sur les seconds moyens de polarisation de manière à faire varier le champ magnétique créé par les premiers moyens de polarisation et le champ magnétique créé par les seconds moyens de polarisation en fonction des signaux de mesure de position et/ou de mouvement et éventuellement d'une loi de retour d'effort prédéterminée.
Cette structure originale pour un mini-manche propose de mettre la manette de commande sur paliers magnétiques et d'agir sur des champs magnétiques régnant au niveau d'entrefers pour contrôler un couple de retour (ou des efforts de retour) sur la manette. Il est également possible avec une telle structure d'agir sur la manette pour la déplacer uniquement en gérant les moyens de polarisation.
Il convient d'entendre par moyens de transmission tant une liaison directe (par vissage, collage, etc.) dans laquelle la manette et la pièce d'articulation sont solidaires l'une de l'autre qu'une liaison faisant intervenir des pièces intermédiaires mobiles par rapport à la manette et/ou la pièce d'articulation.
Le terme "essentiellement" est utilisé pour signifier que chaque pièce polaire est placée en vis-à-vis d'une seule partie de la pièce d'articulation et qu'il n'est pas prévu qu'elle vienne se mettre en vis-à-vis de l'autre partie de la
pièce d'articulation. Elle peut éventuellement venir déborder de la partie de la pièce d'articulation en face de laquelle elle se trouve en fonction notamment de la position de cette pièce d'articulation mais un tel débordement reste marginal. Le but ici est de mettre en vis-à-vis d'un côté une pièce polaire avec une polarité magnétique donnée par les moyens de polarisation et de l'autre côté une partie de la pièce d'articulation avec une seule polarité (et non pas vis-à- vis de deux polarités différentes comme dans l'état de la technique).
Avantageusement, on peut prévoir que chaque pièce polaire se trouve uniquement face à une partie de la pièce d'articulation dans une position que l'on pourrait appeler position neutre, ou position de repos. On peut aussi prévoir que les pièces polaires sont telles que dans toutes les positions de la pièce d'articulation, chaque pièce polaire est face à une seule partie de la pièce d'articulation.
Le plus souvent, la commande de la manette a pour but de réaliser un retour d'effort et une loi de retour d'effort prédéterminée est utilisée pour commander le dispositif. Toutefois, dans le cas d'une commande automatique de la position de la manette, sans action d'un opérateur, une loi de commande autre que la loi de retour d'effort évoquée sera utilisée pour commander la manette.
La structure proposée ci-dessus concerne un mini-manche avec une manette avec un degré de liberté. Cette structure peut aussi s'adapter à un mini-manche dont la manette présente un second degré de liberté autour d'un second axe d'articulation. Un tel mini-manche comporte alors par exemple en outre :
- une pièce appelée seconde pièce d'articulation présentant une troisième partie avec une première polarité magnétique et une quatrième partie avec une seconde polarité magnétique inverse de la première polarité magnétique,
- des moyens de transmission de mouvement réversibles entre la seconde pièce d'articulation et la manette reliant la seconde pièce d'articulation à ladite manette de telle sorte qu'un mouvement de rotation de la manette autour du second axe d'articulation soit transmis à la seconde pièce d'articulation qui peut elle aussi entraîner la manette en rotation autour de son
second axe d'articulation,
- au moins une pièce polaire, dite troisième pièce polaire, disposée en vis-à-vis essentiellement (ou uniquement) de la troisième partie de la seconde pièce d'articulation,
- au moins une autre pièce polaire, dite quatrième pièce polaire, disposée en vis-à-vis essentiellement (ou uniquement) de la quatrième partie de la seconde pièce d'articulation,
- des troisièmes moyens de polarisation permettant d'agir sur la troisième pièce polaire pour la polariser selon la première polarité magnétique, et
- des quatrièmes moyens de polarisation permettant d'agir sur la quatrième pièce polaire pour la polariser selon la seconde polarité magnétique.
Cette structure est une combinaison de deux structures adaptées pour une manette avec un degré de liberté.
La présente invention propose sur le même principe inventif que précédemment, un mini-manche de commande à retour d'effort comportant une manette présentant un premier degré de liberté en rotation autour d'un premier axe d'articulation et un second degré de liberté en rotation autour d'un second axe d'articulation.
Ce mini-manche comporte :
- une pièce appelée pièce d'articulation présentant une première partie présentant une première polarité magnétique et une seconde partie présentant une seconde polarité magnétique inverse de la première polarité magnétique,
- des moyens de transmission de mouvement réversibles entre la pièce d'articulation et la manette reliant ladite pièce d'articulation à ladite manette de telle sorte que les mouvements de rotation de la manette autour du premier axe d'articulation et autour du second axe d'articulation soient transmis à la pièce d'articulation qui peut elle aussi entraîner la manette en rotation autour du premier axe d'articulation et autour du second axe d'articulation,
- au moins deux pièces polaires, dites première pièce polaire et troisième pièce polaire, disposées en vis-à-vis essentiellement (ou uniquement) de la première partie de la pièce d'articulation,
- au moins deux autres pièces polaires, dites seconde pièce polaire et
quatrième pièce polaire, disposées en vis-à-vis essentiellement (ou uniquement) de la seconde partie de la pièce d'articulation,
- des premiers moyens de polarisation permettant d'agir sur les première et troisième pièces polaires pour les polariser selon la première polarité magnétique,
- des seconds moyens de polarisation permettant d'agir sur les seconde et quatrième pièces polaires pour les polariser selon la seconde polarité magnétique,
- des moyens fournissant des signaux de mesure représentatifs de la position et/ou du mouvement de la manette ou de la pièce d'articulation, et
- des moyens de commande agissant sur les premiers moyens de polarisation et sur les seconds moyens de polarisation de manière à faire varier le champ magnétique créé par les premiers moyens de polarisation et le champ magnétique créé par les seconds moyens de polarisation en fonction des signaux de mesure de position et/ou de mouvement et éventuellement d'une loi de retour d'effort prédéterminée.
Ici, selon le même principe, pour un mini-manche avec une manette à deux degrés de liberté, une même pièce d'articulation est utilisée pour les deux axes d'articulation.
Dans un mini-manche selon la présente invention, qu'il présente une seule ou plusieurs pièces d'articulation, il est proposé qu'une pièce d'articulation au moins, mais de préférence chaque pièce d'articulation, comporte un aimant central placé entre deux pièces réalisées dans un matériau magnétique de telle sorte qu'une pièce soit polarisée par l'aimant selon une première polarité magnétique et que l'autre pièce soit polarisée par l'aimant selon une polarité magnétique inverse de la première polarité magnétique.
Les moyens de polarisation mis en œuvre dans un mini-manche selon l'invention comportent par exemple une bobine disposée autour d'un noyau en matériau magnétique ainsi que des moyens pour alimenter la bobine en courant électrique.
Pour garantir la polarisation de chaque pièce polaire, même en l'absence, ou défaillance, de moyens de polarisation, chaque pièce polaire est
avantageusement polarisée par un aimant. On peut ainsi obtenir une position stable du mini-manche même en l'absence de courant.
Dans un mini-manche selon la présente invention, afin de créer des modifications d'entrefer quand la pièce d'articulation est déplacée, on prévoit avantageusement que chaque pièce polaire disposée en vis-à-vis d'une partie de pièce d'articulation présente une surface en regard de la pièce d'articulation réalisée de telle sorte que lors d'une rotation de la pièce d'articulation autour d'un axe d'articulation la distance entre un point donné de ladite surface et la pièce d'articulation varie.
Des détails et avantages de la présente invention apparaîtront mieux de la description qui suit, faite en référence au dessin schématique annexé sur lequel :
La figure 1 montre schématiquement en élévation une première forme de réalisation de la présente invention dans laquelle un mini-manche présente une manette avec un unique degré de liberté,
La figure 2 est une vue similaire à celle de la figure 1 dans laquelle la manette est dans une position différente,
La figure 3 est une vue de détail à échelle agrandie de la figure 2 illustrant les forces et couples mis en jeu,
La figure 4 est une vue schématique en perspective d'une deuxième forme de réalisation de la présente invention dans laquelle un mini-manche présente une manette avec deux degrés de liberté,
La figure 5 illustre une variante de réalisation pour les modes de réalisation des figures précédentes,
La figure 6 illustre schématiquement en perspective une troisième forme de réalisation de la présente invention,
La figure 7 illustre schématiquement en perspective une quatrième forme de réalisation de la présente invention,
La figure 8a est une vue schématique en élévation d'une cinquième forme de réalisation de l'invention,
La figure 8b illustre schématiquement en perspective la cinquième forme de réalisation de la figure 8a, et
La figure 9 illustre schématiquement un exemple d'architecture
d'ensemble d'un mini-manche selon la présente invention.
La présente invention concerne un mini-manche qui peut être utilisé pour le pilotage d'un avion ou d'un hélicoptère. Toutefois, d'autres applications de la présente invention peuvent être envisagées, par exemple pour un système de commande dans un engin terrestre ou naval, par exemple engin de chantier, grue, navire, sous-marin, ... .
De manière classique, un mini-manche présente un boîtier (non représenté sur le dessin) à l'intérieur duquel se trouve un mécanisme associé à une manette 2. De manière originale, le mécanisme présente des paliers magnétiques et/ou une rotule magnétique comme décrit ci-après.
Dans une utilisation aéronautique, le plus souvent la manette 2 est mobile en rotation autour de deux axes d'articulation. Pour mieux appréhender le principe mis en œuvre par la présente invention, les figures 1 à 3 ne concernent le mouvement qu'autour d'un seul axe d'articulation. Il est envisageable d'avoir un mini-manche dont la manette 2 ne se déplace qu'avec un seul degré de liberté sans sortir du cadre de la présente invention, même si la présente invention est plus particulièrement adaptée à un mini-manche avec une manette présentant deux degrés de liberté.
Dans la première forme de réalisation (figure 1 à 3), la manette 2 est associée à une pièce d'articulation qui se présente ici sous la forme d'une rotule 4 sur laquelle elle est fixée. La rotule 4 est montée sur des paliers magnétiques définis par des pièces polaires décrites ci-après.
La rotule 4 des figures 1 à 3 est formée d'un aimant 6 présentant un pôle nord et un pôle sud, d'une première demi-sphère 8 et d'une seconde demi-sphère 10.
L'aimant 6 présente la forme d'un disque et est découpé dans un matériau magnétique de telle sorte que le pôle nord corresponde à une face du disque et le pôle sud à la face opposée. Chaque demi-sphère présente ici un diamètre correspondant au diamètre de l'aimant 6. Une face plane de chaque demi-sphère vient coïncider avec une face de l'aimant 6. On retrouve ainsi l'aimant 6 pris en sandwich entre la première demi-sphère 8 et la seconde demi-sphère 10. Ces deux demi-sphères sont chacune réalisées dans un matériau magnétique si bien qu'elles sont toutes deux polarisées. On
supposera par exemple que la première demi-sphère 8 correspond au pôle nord de l'aimant 6 tandis que la seconde demi-sphère 10, de polarité magnétique opposée à la polarité magnétique de la première demi-sphère 8, correspond au pôle sud de l'aimant 6.
II est proposé ici de disposer la première demi-sphère 8 face à deux premières pièces polaires 12 polarisées de manière à correspondre à un pôle nord et de disposer la seconde demi-sphère 10 face à deux deuxièmes pièces polaires 14 polarisées de manière à correspondre à un pôle sud. De cette manière, les pièces polaires exercent une force de répulsion sur la rotule 4 et forment des paliers magnétiques. On remarque ici que chaque pièce polaire ne vient faire face qu'à une partie de la rotule 4, c'est-à-dire une demi-sphère, sans venir faire face à l'autre partie (demi-sphère) de la rotule qui est polarisée à l'inverse.
On réalise ainsi autour de la rotule 4 deux ensembles, chaque ensemble comportant une première pièce polaire 12, une deuxième pièce polaire 14 et un aimant 16. Comme illustré sur les figures 1 et 2, chaque ensemble présente une forme globale d'agrafe en C. Dans chaque ensemble, l'aimant 16 est placé entre la première pièce polaire 12 et la deuxième pièce polaire 14 de telle sorte que la première pièce polaire 12 se trouve du côté du pôle nord de l'aimant 16 et la deuxième pièce polaire 14 du côté du pôle sud de l'aimant 16. La figure 4 en perspective illustre quatre ensembles tels les deux ensembles montrés en élévation sur les figures 1 et 2 et montre un exemple de formes pouvant être adoptées par les pièces polaires et d'agencement autour d'une rotule 4.
Dans la forme de réalisation des figures 1 à 3, on réalise quatre entrefers entre, d'une part, la rotule 4 et plus précisément une partie de polarité donnée de la rotule 4, c'est-à-dire dans la forme de réalisation illustrée la demi- sphère 8 ou la demi-sphère 10, et, d'autre part, chacune des pièces polaires. Dans ces entrefers règne à chaque fois un champ magnétique qui est tel qu'il tend à éloigner la rotule de la pièce polaire correspondante. Pour pouvoir faire varier les champs magnétiques régnant dans les entrefers, et ainsi agir sur la rotule 4 (sans action extérieure, une position d'équilibre s'établirait), il est prévu d'associer à chaque pièce polaire une bobine 18 d'induction qui vient entourer
partiellement la pièce polaire correspondante. On remarque sur les figures 1 et 2 que dans un même ensemble (formé d'une première pièce polaire 12, d'un aimant 16 et d'une deuxième pièce polaire 14) les bobines 18 d'induction disposées autour de la première pièce polaire 12 et autour de la deuxième pièce polaire 14 sont reliées de telle sorte qu'un même courant circule dans les deux bobines 18 d'un même ensemble. Selon le sens de circulation du courant dans les bobines 18 d'un ensemble, un champ magnétique viendra s'ajouter, ou se soustraire, au champ magnétique correspondant au champ de polarisation de l'aimant 16 correspondant.
La figure 1 illustre la rotule 4 dans une position d'équilibre, la manette 2 se trouvant alors dans une position dite position neutre. Dans cette position, on suppose que tous les entrefers (entre chacune des deux parties de la rotule 4, c'est-à-dire ici la demi-sphère 8 et la demi-sphère 10, et chacune des pièces polaires) est le même. On suppose en outre que la forme des surfaces des pièces polaires se trouvant en vis-à-vis de la rotule 4 est adaptée à la forme sphérique extérieure de chacune des demi-sphères de telle sorte que l'entrefer entre la demi-sphère et la pièce polaire soit d'épaisseur sensiblement constante.
La figure 2 illustre quant à elle la manette 2 dans une position pivotée par rapport à la position d'équilibre de la figure 1 . Cette position peut être atteinte soit suite à une action d'un utilisateur sur la manette 2, soit suite à une modification des champs magnétiques autour de la rotule 4. On remarque ici que les entrefers définis au paragraphe précédent ont changé. En effet, chaque pièce polaire présente face à la rotule 4 une forme sphérique mais les quatre surfaces sphériques appartiennent à deux sphères distinctes. De plus, l'axe de rotation de la rotule ne correspond pas à un axe principal (ou de révolution) de ces deux sphères. Il y a donc modification dans les entrefers entre les demi- sphères de la rotule 4 et les pièces polaires.
La figure 3 illustre des forces s'exerçant sur la rotule 4 et issues des champs magnétiques l'entourant lorsque la rotule 4 se trouve dans la position illustrée sur la figure 2. Sur cette figure 3 on a tout d'abord représenté un repère avec un axe des abscisses (repéré x) et un axe des ordonnées (repéré y). On peut supposer l'axe des abscisses comme étant horizontal tandis que
l'axe des ordonnées est supposé être vertical. Cette orientation est choisie ici pour la description mais une autre orientation pourrait également être choisie.
On a représenté également sur la figure 3 une force F1 1 qui correspond à la force exercée par un premier ensemble sur la première demi- sphère 8. De même, des forces FI 2 , F21 et F22 correspondent respectivement à l'action exercée par le premier ensemble sur la seconde demi-sphère 10, à l'action exercée par le deuxième ensemble sur la première demi-sphère 8 et à l'action exercée par le deuxième ensemble sur la seconde demi-sphère 10. Dans la forme de réalisation choisie et représentée sur la figure 3, ces forces sont supposées être exercées au centre de la surface de jonction entre la demi-sphère concernée et l'aimant 6.
La force résultante F01 (= F1 1 + F21) s'exerçant sur la première demi- sphère 8 présente des composantes Fx1 et Fy1 respectivement sur l'axe des abscisses et sur l'axe des ordonnées. De même, F02 (= FI 2 + F22) s'exerçant sur la seconde demi-sphère 10 présente des composantes Fx2 et Fy2 respectivement sur l'axe des abscisses et sur l'axe des ordonnées.
On appelle sur la figure ε l'épaisseur de l'aimant 6. Cette épaisseur correspond ici également à la distance séparant les points d'application des forces F01 et F02. Les forces selon l'axe des abscisses produisent alors un couple de contre-effort C = (Fx1 + Fx2)
2ε
On remarque que dans la position d'équilibre illustrée sur la figure 1 , la rotule 4 est dans une position telle que les points d'application des forces F01 et F02 sont sur l'axe des ordonnées. Les forces résultantes sont en outre alignées sur l'axe des ordonnées. De ce fait, il n'y a pas de couple résultant. Par contre, le basculement de la rotule ou bien la modification des champs magnétiques dans les pièces polaires en appliquant des courants dans les bobines d'induction modifie le ratio des amplitudes des forces appliquées provoquant ainsi un couple de réaction.
Dans cette forme de réalisation proposée, on remarque que lorsque la manette 2 est en position de repos, son axe est un axe de symétrie pour le
système décrit ci-dessus. Quelle que soit l'inclinaison de la rotule 4 et l'amplitude des champs magnétiques (de polarisation et induits par les bobines), il existe toujours une position pour laquelle les forces, aux points d'application définis précédemment, sont parallèles et de même amplitude compte tenu des variations possibles d'entrefers. Dans cette position la rotule 4 est alors en équilibre stable du point de vue des translations selon les axes x ou y indépendamment des courants dans les bobines et indépendamment du couple de réaction induit si les forces ne sont pas colinéaires.
La figure 4 illustre une forme de réalisation de l'invention dans laquelle la manette 2 est mobile en rotation selon deux axes d'articulation. On retrouve dans cette forme de réalisation les éléments illustrés sur les figures 1 et 2 et on y rajoute un troisième ensemble et un quatrième ensemble similaires au premier ensemble et au deuxième ensemble. Le troisième ensemble est agencé par rapport au quatrième ensemble de la même manière que le premier ensemble l'est par rapport au deuxième ensemble. Le troisième ensemble et le quatrième ensemble sont alors disposés autour de la rotule 4 en étant décalés par rapport au premier ensemble et au deuxième ensemble de 90°.
On réalise de la sorte, comme expliqué en référence aux figures 1 à 3, un système permettant de générer des retours d'efforts en régulant les courants circulant dans les bobines d'induction lorsque la manette 2 pivote autour de deux axes d'articulation, pour toutes les positions que peut prendre ladite manette dans une plage angulaire donnée.
Dans cette forme de réalisation (figure 4) on a ainsi des troisièmes pièces polaires 20 et des quatrièmes pièces polaires 22. Le troisième ensemble et le quatrième ensemble comportent chacun une troisième pièce polaire 20 et une quatrième pièce polaire 22 séparées par un aimant 16 dont le pôle nord est accolé à la troisième pièce polaire 20 et dont le pôle sud est accolé à la quatrième pièce polaire 22.
Lorsque le mini-manche selon l'invention a pour but d'être utilisé dans le domaine de l'aéronautique, des normes de sécurité sévères s'appliquent et il est notamment prévu d'avoir une redondance des systèmes électriques. Il est facile dans le cas de la présente invention de réaliser un circuit redondant. On
peut envisager de dédoubler tous les circuits magnétiques. Toutefois, compte tenu de la sécurité intrinsèque des pièces polaires elles-mêmes, seule une redondance au niveau des bobines d'induction est nécessaire. La figure 5 illustre un mini-manche pour lequel les bobines 18 ont été doublées de manière à avoir un système redondant.
La figure 6 illustre une variante de réalisation simplifiée de la présente invention par rapport à la forme de réalisation de la figure 4.
Pour la description des variantes de réalisation des figures 6 à 8, les références utilisées sur les figures 1 à 5 sont reprises pour désigner des éléments similaires même s'ils sont de forme différente.
Dans la variante de la figure 6, on retrouve une pièce d'articulation appelée par la suite rotule 4 fixée à une manette 2. La rotule 4 comporte un aimant 6 central présentant la forme d'un demi-disque et disposé entre une première partie 8 en forme de quart de sphère et une seconde partie 10 également en forme de quart de sphère. Par rapport aux formes de réalisation précédentes, l'orientation de la manette 2 par rapport à l'aimant 6 est différente. Alors que dans les formes de réalisation précédente, la manette 2 était perpendiculaire à l'aimant 6, elle est dans le plan de l'aimant 6 sur la figure 6. En outre, pour créer un contre-effort sur la rotule 4, une rotule mécanique 5 (et son palier correspondant non représenté) par exemple est également à prévoir.
Alors que dans la forme de réalisation de la figure 4 il y avait en tout huit pièces polaires, la forme de réalisation de la figure 6 prévoit quatre pièces polaires, une première pièce polaire 12 faisant face (uniquement) à première partie 8, une deuxième pièce polaire 14 faisant face (uniquement) à première partie 10, une troisième pièce polaire 20 faisant face (uniquement) à première partie 8 et une quatrième pièce polaire 22 faisant face (uniquement) à première partie 10. À chaque pièce polaire est associée une bobine 18 d'induction pour permettre de modifier le champ magnétique dans l'entrefer entre chaque pièce polaire et la rotule 4. La première pièce polaire 12 et la deuxième pièce polaire 14 peuvent agir sur la rotule 4 en faisant circuler un courant dans les bobines 18 d'induction correspondantes, de manière à exercer un couple résistant sur la rotule 4 ou bien pour venir déplacer la manette 2 sans action de la part d'un utilisateur (dans un avion par exemple, lorsqu'un mini-manche est doublé, il est
connu de faire se déplacer le deuxième mini-manche dans la position qu'un utilisateur fait prendre au premier mini-manche). De même, dans un autre plan, perpendiculaire au plan d'action de la première pièce polaire 12 et de la deuxième pièce polaire 14, la troisième pièce polaire 20 et la quatrième pièce polaire 22 peuvent agir, en faisant circuler un courant adapté dans les bobines 18 d'induction correspondantes, sur la rotule 4.
Les pièces polaires sont ici aussi polarisées par un aimant 16 (et par les bobines 18). Des ensembles sont aussi formés avec un aimant 16 pris en sandwich entre deux pièces polaires. Toutefois, alors que dans la forme de réalisation de la figure 4 un tel ensemble concernait deux pièces polaires agissant dans un même plan, ici une pièce polaire de l'ensemble concerne une action dans un plan et l'autre concerne une action dans le plan perpendiculaire. On forme ainsi un ensemble avec un aimant 16, la première pièce polaire 12 et la quatrième pièce polaire 22 et un autre ensemble autour d'un autre aimant 16 avec la deuxième pièce polaire 14 et la troisième pièce polaire 20 (et bien entendu, à chaque pièce polaire, dans chacun des ensembles, se trouve également au moins une bobine 18 d'induction). L'homme du métier remarquera immédiatement que dans ce cas il n'est plus question de relier entre elles les bobines 18 d'un même ensemble.
La forme de réalisation illustrée sur la figure 7 découple entièrement l'action exercée par le système sur la manette 2 selon un premier axe d'articulation de la manette 2 de l'action exercée sur celle-ci selon un second axe d'articulation. En outre, la manette 2 n'est pas fixée par rapport à une rotule mais un mécanisme de transmission est prévu entre la manette 2 et les éléments montés comme des paliers magnétiques.
Tout d'abord, dans cette forme de réalisation, la manette 2 est articulée par l'intermédiaire d'un système obtenu en combinant un cardan 24 et un pantographe 26 de telle sorte que lorsque la manette 2 pivote selon une direction x, elle entraine en rotation un axe X et lorsque la manette 2 pivote selon une direction y, elle entraine en rotation un axe Y. Dans la forme de réalisation illustrée sur la figure 7, l'axe X porte à l'une de ses extrémités le cardan 24 tandis que le pantographe 26 entraine en rotation l'axe Y.
L'axe X et l'axe Y portent chacun une pièce comportant une première
partie 8 en matériau magnétique polarisée selon une première polarité magnétique et une seconde partie 10 en matériau magnétique polarisée selon une polarité magnétique inverse par rapport à la première polarité magnétique. Cette pièce est appelée ici aussi, comme dans tout le présent document, "rotule". Pour distinguer les deux rotules, la rotule portée par l'axe X est référencée 4X tandis que l'autre rotule, portée par l'axe Y est référencée 4Y. Chaque rotule est solidaire de l'axe qui la porte. La figure 7 propose de conformer chaque rotule en portion de cylindre circulaire présentant en position médiane un aimant 6 de part et d'autre duquel se trouve une première partie 8 en matériau magnétique et une seconde partie 10 en matériau magnétique. L'homme du métier comprendra qu'il s'agit ici d'une forme choisie parmi de nombreuses autres. Pour éviter d'avoir un balourd important sur l'axe X et l'axe Y, on pourrait ainsi avoir une rotule 4X et une rotule 4Y mieux répartie autour de son axe de pivotement, l'axe 4X ou 4Y correspondant par exemple à un axe longitudinal passant par le centre de gravité de la rotule correspondante. Une forme sensiblement sphérique ou hémisphérique peut également être envisagée ici. La présence du balourd est toutefois mécaniquement intéressante ici car elle permet de rajouter une force supplémentaire (la gravité) pour agir sur la manette 2 et créer un effort de rappel. Les rotules 4X et 4Y sont en effet positionnées de telle sorte sur l'axe X et l'axe Y que leur position d'équilibre stable corresponde à la position "de repos" de la manette 2. Il est à remarquer ici que le système mécanique entre les rotules 4X et 4Y pourrait être différent du système illustré sur la figure 7. Il importe toutefois que, d'une part, la manette 2 puisse entraîner en rotation les axes X et Y et que, d'autre part, une action sur les axes X et Y puisse être retransmise à la manette. Le système de transmission entre les rotules et la manette doit donc être réversible.
La rotule 4X est placée entre deux pièces polaires : une première pièce polaire 12 faisant face à la première partie 8 (uniquement) de la rotule 4X et une deuxième pièce polaire 14 faisant face (uniquement) à la seconde partie 10 de la rotule 4X. De même, la rotule 4Y est placée entre deux pièces polaires : une troisième pièce polaire 20 faisant face (uniquement) à la première partie 8 de la rotule 4Y et une quatrième pièce polaire 22 faisant face
(uniquement) à la seconde partie 10 de la rotule 4Y. À chaque pièce polaire sont associés, d'une part, un aimant 16 la polarisant et, d'autre part, une bobine 18 d'induction. L'extrémité des pièces polaires en regard de la rotule correspondante est ici aussi conformée de telle sorte que l'entrefer soit sensiblement constant sur toute la surface en vis-à-vis dans la position de repos, cet entrefer variant lorsque la rotule correspondante pivote autour de son axe. Les pièces polaires sont à chaque fois en regard d'une partie de la rotule correspondante de même polarité magnétique de manière à créer une force de répulsion d'autant plus grande que l'entrefer diminue. On arrive ici aussi à un équilibre stable lorsque tous les entrefers sont égaux (pour des champs magnétiques d'égale amplitude).
Une cinquième forme de réalisation est illustrée sur les figures 8a et 8b. Il s'agit en fait d'une variante de réalisation de la troisième forme de réalisation de la figure 6. Dans cette forme de réalisation, la rotule 4 est de forme cubique (ou parallélépipédique). Au moyen d'articulations adaptées, une face (inférieure) de la rotule 4 cubique reste parallèle à un plan de référence (par exemple horizontal). La rotule 4 se déplace alors entre les quatre pièces polaires du système, la position d'équilibre étant atteinte lorsque les quatre entrefers correspondants sont égaux.
Le système décrit est bien entendu associé à des moyens de commande et de contrôle électroniques. Des capteurs de position sont prévus pour connaître la position de la manette 2. En fonction de cette position, et éventuellement d'autres paramètres internes voire extérieurs au mini-manche, un retour d'effort est déterminé par un calculateur, par exemple un microcontrôleur. Une fois ce retour d'effort déterminé, l'intensité de l'effort (en Newton ou en Newton mètre) est convertie en intensité électrique (en Ampère) pour définir les caractéristiques des courants électriques qui devront circuler dans chaque bobine d'induction afin d'obtenir le retour d'effort souhaité.
Ces différents éléments (capteurs de position ou capteurs de mouvement, éventuellement capteur d'effort et/ou capteur de vitesse de déplacement de la manette, calculateur, système de contrôle des courants circulant dans les bobines, ...) ne sont pas représentés sur le dessin.
Sur la figure 9, on a représenté un système de contrôle principal 44 et
un système de contrôle redondant 46. Ces deux systèmes sont similaires et présentent la même structure. Ils peuvent être chacun assemblé pour former un ensemble, et les deux ensembles obtenus peuvent être superposés comme illustré sur la figure 9 sur laquelle on ne voit de ce fait que les éléments du système de contrôle principal 44.
Le système de contrôle principal 44 comporte un microcontrôleur 48 associé à une interface de communication 50 avec d'autres systèmes électroniques. Si la manette 2 est destinée à la commande de l'inclinaison d'un aéronef (avion ou hélicoptère) selon son axe de roulis et son axe de tangage, on prévoit par exemple un premier ensemble 52 pour la régulation du système sur l'axe de roulis et un second ensemble 54, sensiblement similaire au premier ensemble 52, pour la régulation du système sur l'axe de tangage.
La figure 9 reprend également divers éléments d'un mini-manche selon l'invention pour mieux illustrer les fonctions du système de contrôle.
Comme il ressort de la description qui précède, la présente invention permet de réaliser un mini-manche pouvant être utilisé pour le pilotage d'un aéronef, avion ou hélicoptère par exemple. Ce mini-manche peut notamment servir d'organe de commande en roulage et en tangage de l'aéronef. Un retour d'effort est intégré dans la structure du mini-manche. Les efforts produits sont dus à l'opposition de champs magnétiques créés entre des pièces polaires fixes et une pièce mobile en lien avec une manette de mini-manche. Des entrefers sont créés entre les pièces polaires fixes et la pièce mobile. Un équilibre, correspondant par exemple à une position de repos, est obtenu lorsque tous les entrefers sont identiques.
La loi de retour d'effort est appliquée en gérant des circulations de courants électriques dans des bobines d'induction. Il est ainsi possible d'avoir une régulation rapide et précise des efforts exercés au niveau de la manette du mini-manche. L'ajustement des efforts (ou couples) de retour peut être obtenu par calcul en connaissant la position de la manette à gérer et/ou par adjonction de capteurs d'efforts pour asservir les efforts (couples) retournés.
Les rotules décrites plus haut peuvent être maintenues uniquement par les paliers magnétiques décrits (notamment figure 4) mais peuvent aussi nécessiter un guidage mécanique de la rotule. Un guidage de ce type ou d'un
autre type, adapté à la situation (forme de la rotule et environnement), peut être prévu pour les autres formes de réalisation.
La présente invention ne se limite pas aux formes de réalisation décrites ci-dessus à titre d'exemples non limitatifs et aux variantes évoquées. Elle concerne également toutes les variantes de réalisation à la portée de l'homme du métier dans le cadre des revendications ci-après.
Claims
1. Mini-manche de commande à retour d'effort comportant une manette (2) présentant un degré de liberté en rotation autour d'un premier axe d'articulation, caractérisé en ce qu'il comporte :
- une pièce appelée première pièce d'articulation (4) présentant une première partie (8) présentant une première polarité magnétique et une seconde partie (10) présentant une seconde polarité magnétique inverse de la première polarité magnétique,
- des moyens de transmission de mouvement réversibles entre la première pièce d'articulation (4) et la manette (2) reliant la première pièce d'articulation (4) à ladite manette (2) de telle sorte qu'un mouvement de rotation de la manette (2) autour du premier axe d'articulation soit transmis à la première pièce d'articulation (4) qui peut elle aussi inversement entraîner la manette (2) en rotation autour de son premier axe d'articulation,
- au moins une pièce polaire, dite première pièce polaire (12), disposée en vis-à-vis essentiellement de la première partie (8) de la première pièce d'articulation (4),
- au moins une autre pièce polaire, dite seconde pièce polaire (14), disposée en vis-à-vis essentiellement de la seconde partie (10) de la première pièce d'articulation (4),
- des premiers moyens de polarisation (18) permettant d'agir sur la première pièce polaire (12) pour la polariser selon la première polarité magnétique,
- des seconds moyens de polarisation (18) permettant d'agir sur la seconde pièce polaire (14) pour la polariser selon la seconde polarité magnétique,
- des moyens fournissant des signaux de mesure représentatifs de la position et/ou du mouvement de la manette (2) ou de la pièce d'articulation (4), et
- des moyens de commande agissant sur les premiers moyens de polarisation (18) et sur les seconds moyens de polarisation (18) de manière à faire varier le champ magnétique créé par les premiers moyens de polarisation
(18) et le champ magnétique créé par les seconds moyens de polarisation (18) en fonction des signaux de mesure de position et/ou de mouvement.
2. Mini-manche selon la revendication 1 , caractérisé en ce que sa manette (2) présente un second degré de liberté autour d'un second axe d'articulation, et en ce qu'il comporte en outre :
- une pièce appelée seconde pièce d'articulation (4) présentant une troisième partie (8) présentant une première polarité magnétique et une quatrième partie (10) présentant une seconde polarité magnétique inverse de la première polarité magnétique,
- des moyens de transmission (24, 26) de mouvement réversibles entre la seconde pièce d'articulation (4) et la manette (2) reliant la seconde pièce d'articulation (4) à ladite manette (2) de telle sorte qu'un mouvement de rotation de la manette (2) autour du second axe d'articulation soit transmis à la seconde pièce d'articulation (4) qui peut elle aussi inversement entraîner la manette (2) en rotation autour de son second axe d'articulation,
- au moins une pièce polaire, dite troisième pièce polaire (20), disposée en vis-à-vis essentiellement de la troisième partie (8) de la seconde pièce d'articulation (4),
- au moins une autre pièce polaire, dite quatrième pièce polaire (22), disposée en vis-à-vis essentiellement de la quatrième partie (10) de la seconde pièce d'articulation (4),
- des troisièmes moyens de polarisation (18) permettant d'agir sur la troisième pièce polaire (20) pour la polariser selon la première polarité magnétique, et
- des quatrièmes moyens de polarisation (18) permettant d'agir sur la quatrième pièce polaire (22) pour la polariser selon la seconde polarité magnétique.
3. Mini-manche de commande à retour d'effort comportant une manette (2) présentant un premier degré de liberté en rotation autour d'un premier axe d'articulation et un second degré de liberté en rotation autour d'un second axe d'articulation, caractérisé en ce qu'il comporte :
- une pièce appelée pièce d'articulation (4) présentant une première partie (8) présentant une première polarité magnétique et une seconde partie
(10) présentant une seconde polarité magnétique inverse de la première polarité magnétique,
- des moyens de transmission de mouvement réversibles entre la pièce d'articulation (4) et la manette (2) reliant ladite pièce d'articulation (4) à ladite manette (2) de telle sorte que les mouvements de rotation de la manette (2) autour du premier axe d'articulation et autour du second axe d'articulation soient transmis à la pièce d'articulation (4) qui peut elle aussi inversement entraîner la manette (2) en rotation autour du premier axe d'articulation et autour du second axe d'articulation,
- au moins deux pièces polaires, dites première pièce polaire (12) et troisième pièce polaire (20), disposées en vis-à-vis essentiellement de la première partie (8) de la pièce d'articulation,
- au moins deux autres pièces polaires, dites seconde pièce polaire (14) et quatrième pièce polaire (22), disposées en vis-à-vis essentiellement de la seconde partie (10) de la pièce d'articulation,
- des premiers moyens de polarisation (18) permettant d'agir sur les première et troisième pièces polaires pour les polariser selon la première polarité magnétique,
- des seconds moyens de polarisation (18) permettant d'agir sur les seconde et quatrième pièces polaires pour les polariser selon la seconde polarité magnétique,
- des moyens fournissant des signaux de mesure représentatifs de la position et/ou du mouvement de la manette ou de la pièce d'articulation, et
- des moyens de commande agissant sur les premiers moyens de polarisation et sur les seconds moyens de polarisation de manière à faire varier le champ magnétique créé par les premiers moyens de polarisation et le champ magnétique créé par les seconds moyens de polarisation en fonction des signaux de mesure de position et/ou de mouvement.
4. Mini-manche selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'une pièce d'articulation (4) comporte un aimant (6) central placé entre deux pièces réalisées dans un matériau magnétique de telle sorte qu'une pièce soit polarisée par l'aimant (6) selon une première polarité magnétique et que l'autre pièce soit polarisée par l'aimant selon une polarité magnétique inverse de la
première polarité magnétique.
5. Mini-manche selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de polarisation comportent une bobine (18) disposée autour d'un noyau en matériau magnétique ainsi que des moyens pour alimenter la bobine en courant électrique.
6. Mini-manche selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque pièce polaire est polarisée par un aimant (16).
7. Mini-manche selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chaque pièce polaire disposée en vis-à-vis d'une partie de pièce d'articulation présente une surface en regard de la pièce d'articulation réalisée de telle sorte que lors d'une rotation de la pièce d'articulation autour d'un axe d'articulation la distance entre un point donné de ladite surface et la pièce d'articulation varie.
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