J. Roussigné, J. Demangeon (2017)
josuah.net/p/ath.html

Affichages tête haute
défis que pose leur mise en œuvre

Les systèmes d'affichages permettent de rendre visible une information, et dans de nombreux cas, visionner l'information n'est pas le but en soi, mais un moyen d'achever une autre tâche. Il est égalemen parfois nécessaire d'effectuer des tâches complêxes, nécessitant à la fois la présence de l'information en continu, à la fois une vue de l'environnement. Les systèmes d'affichage tête haute proposent un moyen de concilier ces deux sources d'information en une seule synthétique, au pris de nombreux défis d'ordre technique et de conception.

Sommaire

Présentation du dispositif

Les Affichages Tête Hautes (ATH), Head-Up Displays (HUD) en anglais, ou encore collimateurs de pilotage sont des dispositifs d'affichage permettant la restitution d'une image superposée à l'environnement, donnant l'illusion que celle-ci se trouve dans le milieu extérieur, visible par transparence derrière le dispositif. Par une transformation optique, une image et un objet physique peuvent ainsi paraître se trouver au même endroit, l'image étant superposée à l'objet et dans le même plan focal. De ce fait, l'image apparaîtra comme projetée à l'infini, et la position de l'écran n'influera pas la netteté de l'objet virtuel. Cette particularité est la première différence notable entre un écran traditionnel et un ATH.

Un ATH diffère aussi d'un écran traditionnel par le fait que l'utilisateur ne regarde pas directement le dispositif d'affichage, mais une vitre réfléchissant le contenu du dispositif. De plus, un ATH n'affichera que les éléments nécessaires, contrairement à certains dispositifs d'affichages conventionnels qui projettent de la lumière sur la totalité de l'écran, excépté les parties devant rester noires.

Par ailleurs, ceux-ci diffèrent des hologrammes de par le fait que seul l'utilisateur puisse voir l'image produite, et diffère d'un appareil de réalité virtuelle de par le fait que le système d'affichage n'obstrue pas la vision du monde extérieur, affichant une image en superposition avec celui-ci.

Pour ce faire les ATH Traditionnels utilisent un support transparent disposé dans le champs de vision d'un utilisateur permettant les transformations optiques nécessaires. Ce sont dans ce cas d'autres éléments qui se chargent de générer, projeter, et d'afficher l'image:

Source de l'image

L'image fournie par les premiers systèmes de HUD proviennent d'un écran conventionnel, qui ont suivie la même évolution que les écrans traditionnels: une transition des Cathode Ray Tube (CRT), vers les dispositifs d'état solides tel que les écrans LCD [14][15]. Ces écrans CRT sont néanmoins toujours présents [15].

Le collimateur, "Combiner Unit"

Celui-ci, une vitre transparente, sert de support optique permettant à une partie des rayons incidents d'être reflétés, laissant passer les autres. Il est par conséquent possible d'y projeter une image qui sera réfléchie vers l'oeil, tout en gardant la vitre transparente. [14]

L'ordinateur

Dans tous les ATH, il y a une étape de conversion de la source d'information en image, qui est réalisé par un ordinateur dédié. Celui-ci comporte occasionellement une interface permettant d'ajuster les paramètres de création de l'image, et de traitement des données.

1. Condition de la découverte

L'aviation comporte des manoeuvres de vol requiérant une grande vigilence, d'autant plus lors de mauvaises conditions métérologiques qui impliquent souvent de mauvaises conditions de visibilité. Ainsi, une aide au pilotage permettant à tout moment d'appréhender l'environnement extérieur apparut comme necessaire.

Gilbert Klopfstein, ingénieur et pilote d'essai, développa alors l'Affichage Tête haute comme moyen de compenser le manque d'information visuelle, en superposant les informations essentielles pour le vol directement au champs de vision du pilote.

L'idée de ce dispositif lui étant venue lors d'un aterissage dans des conditions difficiles, à bord d'un Mirage III. Il entrepris d'utiliser un réticule de visée pour l'artillerie comme repère de direction de l'appareil afin de fournir une information précieuse au pilote, notamment lors d'atterrissages pouvant parfois s'avérer compliquer. La solution approtée par ce dispositif peut alors se résumer par la question suivante: "Dans le paysage visible face à moi, à quel endroit vais-je arriver si je conserve ces paramètres de vol ?".

2 Démocratisation du dispositif dans l'aviation

Lors des premiers essais par son inventeur, le dispositif d'ATH ne fut pas accueilli avec grand enthousiasme par ses supérieurs. Sans soutiens, celui-ci dû, de lui-même, financer ses recherches et construire ses prototypes, jusqu'à ce qu'il puisse présenter ses travaux à l'US Air Force et au MIT, et cela dans la défiance de sa hiérarchie, ce qui le mit en marge. Il acheva sa carrière en avance, étant conduit à démissionner, et ce malgré la reconaissance grandissante pour le dispositif qu'il eut inventé. [5]

3. Utilité du dispositif dans l'aviation

3.1. Sécurité

Dans le monde de l'aviation civile, deux types de points de vue se confrontent [10]. Le premier accorde plus d'importance au pilote dans la prise de décision concernant le pilotage. En effet de ce point de vue, le pilote de par son expérience et son imagination serait plus apte à réagir lors de situations critiques

Le second quant-à lui, privilégies le système d'autopilotage pour la prise de décision. En effet, de ce point de vue, le système est plus rationnel et plus prompt à prendre des décisions complexes que ne l'est un humain qui pourrait paniquer lors de situations critiques.

De par sa nature, un autopilote, à l'heure actuelle, n'est capable de réagir qu'à des situations prévues par ses développeurs. De ce fait, si une situation imprévue se présente, la réaction de l'autopilote sera soit imprécise, soit inadaptée, et par conséquent, il nous semble nécessaire que le pilote puisse outrepasser le système afin de répondre aux exigences à ces dites situations [8].

De plus, le pilote quel que soit son niveau de prise de décision dans un appareil qu'il pilote, devrai toujours être attentif à la situation, de manière a pouvoir y être réactif. En effet, si trop de pouvoir est accordée au système au détriment du pilote, alors celui-ci se sentira bien moins impliqué dans le pilotage, et une sensation d'inutilité pourra donc être ressentie par ce dernier [3]. Or, le maintient de son attention joue un rôle central dans la sécurité, et une large part des accidents ont lieu lorsque l'attention du pilote est relâchée [4].

Pour ces deux raisons, nous pensons que le point de vue dans lequel le pilote a la part la plus importante dans la prise de décision concernant le pilotage est celle qu'il nous faudrait privilégier afin de prévenir les accidents qui pourraient avoir lieu et dans lequel l'ATH sert de support à ce dernier [9]. En effet, « le cerveau humain ne supporte guère l'absence d'information » [4]. Il lui faut donc un moyen de capter en permanence son attention. C'est en celà que l'ATH s'avère utile, en fournissant une information en continu, réduisant ainsi les risques d'accidents.

3.2. Efficacité et comfort du pilote

Avant la démocratisation de l’ATH dans l’aviation, les pilotes naviguaient à vue et avec tous les indicateurs sur le tableau de bord. De ce fait dès lors qu’ils voulaient contrôler un ou des paramètres, il devaient détourner le regard de l’extérieur ce qui pouvait s’avérer dangereux et ce qui pouvaient empêcher de précisément ajuster le vol en fonction des paramètres fournis. L’apparition de l’ATH a ainsi permis au pilotes de surveiller les indicateurs en même temps qu’ils réalisent les manœuvres appropriées. En effet lors du pilotage d’un avion, les pilotes doivent en permanence surveiller au moins trois paramètres distincts que sont l’angle d’incidence de l’avion, sa vitesse et son accélération. Avec l’aide d’un ATH, les pilotes ont une seule vision synthétique de l’ensemble de la situation et peuvent par conséquent exercer leurs fonctions dans les meilleurs conditions.

L’ATH voit également son utilité grandement reconnu d’un point de vue confort de pilotage. En effet les nombreux retours après utilisation de ce type de dispositif dans l’aviation sont bien souvent élogieux [3]. En effet l’aide apportée par l’utilisation d’ATH dans l’aviation est remarquable, à tel point que les pilotes peuvent, notamment lors d’essais de vols, parfaitement piloter l’avion en se basant uniquement sur les informations fournies par l’ATH [3]. La précision des informations fournies est très élevée et est au centre de l’efficacité de tels dispositifs. Par conséquent la précision des données est un enjeu majeur lors de la conception d’ATH et cela représente un des principaux défis techniques qu’est la fiabilité du système.

De la source d'information jusqu'au pilote

Les systèmes ATH sont avant tout des outils permettant d'apporter les informations de natures différentes jusqu'au pilote, d'une manière aussi synthétique et naturelle que possible. Celà passe par une intégration de l'information provenant de nombreuses sources très différentes, combinée en une unique représentation de la scène [2].

Pour que l’image arrive jusqu’au pilote il faut passer par trois grandes étapes qui sont les suivantes :

1. De l'objet physique à l'ordinateur

1.1. Types de données collectées

Tout d’abord intéressons nous à la collecte des données. Les données utilisées pour afficher l’image sont collectées par des capteurs présents à l’extérieur de l’avion et/ou dans ce dernier. Ces capteurs vont collecter plusieurs types d’informations qui sont :

La mécanique de vol

Afficher des indications tel que le vecteur vitesse avion-terre ou l'angle d'incidence requiert de connaître de nombreux paramètres physiques [2] qu'il faut alors mesurer. Pour celà, l'ordinateur reçoit une information par de nombreuses sources.

Celà regroupe toutes les mesures physiques concernant la mécanique du point, la cinématique, et la mécanique des fluides, afin d'avoir une conaissance complète de la situation de l'avion telle qu'étudiée par la mécanique et mesurables par l'appareil lui-même :

Le positionnement de l'appareil
Tel que la distance le séparant du sol ou de son point d’arrivée, qui diffère de l’altitude également mesurée ou encore l'orientation de l'appareil dans les 3 axes par rapport à la Terre.
Les changement dans ces positions
Tel que la vitesse par rapport au sol et à la masse d'air environnante, l’angle d'incidence qui est l'angle de la trajectoire par rapport à l'horizontale, qui est centrale dans la mécanique du vol [2]
Les forces appliquées à l'avion
Tel que la poussée provenant des réacteurs ou la portance générée par l'angle d'incidence, le poid pour une altitude donnée etc.

La présence d’objets extérieurs

Les différents capteurs vont localiser tous les obstacles potentiels, tel que les avions à proximités ou encore les missiles dans le cas d'un combat aérien pour les avions militaires.

Les informations envoyées par des appareils distants

Pouvant être reçues depuis d’autres avions ou depuis des tours de contrôle, et une information prenant également une très grande place dans la navigation: le signal GPS.

Les conditions extérieures

Cela représente notamment les conditions météorologiques et l'interaction avec la masse d'air environnante, qui sont certaines des informations les plus importantes lors d’un vol.

L’état de fonctionnement de l‘appareil

Précisant par exemple les ressources en carburant, la présence de dysfonctionnement etc.

1.2. Transmission des informations jusqu'à l'Ordinateur de l'ATH

Les données ainsi collectées sont transmises a l’ATH par le biais du protocole ARINC 429 qui standardise les transmissions d’information au sein de l’avionique (terme désignant l’informatique de l’aviation).[12]

Celui-ci assure la communication des sources jusqu'aux multiples dispositifs en ayant besoin, ce qui n'inclut pas uniquement l'ATH, et cela dans la plus grande fiabilité possible, relayant la haute fiabilité des capteurs mêmes.

2. Traitement de données et constitution d'une image

Ensuite, une fois ces données récoltées il est nécessaire de les traiter afin de pouvoir afficher une image synthétisant l’ensemble de ces dites informations et qui soit claire à comprendre pour le pilote.

2.1. Intégration des sources et analyse de l'information

Le premier objectif est d'afficher un repère représantant la direction de l'avion. Le point vers lequel l'avion se dirige

Une approche instinctive nous suggère qu'un aéroplane se dirige toujours précisément dans son axe de roulis, du cockpit à la queue. Représenter la direction de l'appareil se résumerait donc à afficher un repère aligné à cet axe.

Cependant, l'avion est constamment soumis à la gravité, qui modifie sa direction vers le sol. Il faut donc calculer l'effet de la gravité sur l'avion. Celui-ci n'est pas en chute libre dans le vide, et la notion de portance est à prendre en compte.

Une approche complémentaire pourraît être de calculer le décalage du réticule vers le bas à appliquer une seule fois par modèle d'avion, mais celà ne prend pas en compte la vitesse de l'appareil. Il s'agit donc d'une calculer une seule fois une courbe en fonction de la vitesse par rapport à l'air.

Cependant un avion peut effectuer des maneuvres en pivotant suivant son axe de roulis, et la portance n'est pas la même dans tous les sens de l'avion. Il faut donc connaître l'orientation de l'appareil par rapport au sol, et connaître la portance dans chacun des cas.

De plus, lorsque l'appareil gagne de l'altitude en effectuant une ressource (G > 1), ou lorsqu'il pique (G < 1), d'autres forces s'appliquent à l'appareil due à son changement de trajectoire.< p>

Il est donc nécessaire de mesurer les forces appliquées tel que la portance, la poussée, le poids, la force centrifuge..., et donc également la rotation, le vent relatif, et intégrer ces différentes informations pour pouvoir estimer la trajectoire de l'appareil, afin de l'afficher [2].

Ces nombreuses informations sont transmises à l'ordinateur dédié au HUD, qui effectue tout les calculs nécessaires, d'après une étude théorique préalable de la mécanique du vol.

2.2. Présenter une représentation synthétique

L'ATH vient apporter une information à tout moment à l'utilisateur. Celui-ci peut en avoir besoin comme être perturbé par celle-ci.

Avant l'apparition de l'ATH dans les postes de pilotage, les tableaux de bords, d'un espace limité, étaient remplis de cadrans indiquant les informations séparément. L'encombrement était tel que le développement de nouveaux cadrans plus compactes était considérée comme une grande avancée. Afin de rendre l'interface plus dégagée, des méthodes ont ensuite permises de combiner plusieurs indicateurs en un seul cadran.

L'ATH approtant toutes ces informations en permanance dans le champs de vision, l'information se doit être aussi synthétique que possible. Ainsi, trois composantes essentielles à la navigation sont représentées en même temps:

Nous allons donc ensuite vous représenter différents écrans qui peuvent s’afficher au cours d’une manœuvre et vous les expliquer.

Si le repère de la poussée est au dessus du repère l'incidence, l'appareil accélère ; sinon, c'est qu'il décélère.

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On voit ci-dessus la ligne d'horizon (1), le marqueur du vecteur vitesse (2), et celui de la ligne d'horizon. L'altitude est stable, l'accélération est nulle.

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L'avion grimpe de 3° et gagne de l'altitude, mais la poussée n'augmente pas: le marqueur de poussée se trouve au dessous du marqueur du vecteur vitesse: celui-ci décélère.

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Le marqueur de poussée est maintenant au dessus du marqueur du vecteur de vitesse. De par une forte poussée l'avion accélère malgré l'angle d'incidence.

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Par une brusque piquée, sans avoir décéléré, l'avion est maintenant en forte décélération, ce qui se voit par l'écart entre le marqueur de poussée, et celui du vecteur vitesse.

Si l'avion était en approche d'une piste d'aterissage, il lui faudrait probablement ralentir fortement à l'aide d'aérofreins (1), conserver un angle d'incidence précis (2), et garder le cap (3) sur la piste (4):

Ces informations peuvent également être représentées de manière synthétique, avec l'angle d'incidence choisit:

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  ─   (1)

Le cap de l'avion (3) est aligné avec la piste (4), l'avion vole avec le bon angle d'incidence, mais la piste est très proche, et l'angle d'incidence idéal (2) pointe vers la fin de la piste synthétique Tout en s'approchant, l'avion doit donc perdre de l'altitude.

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Par une piquée importante doublée d'une augmentation des aérofreins afin de continuer à freiner autant, l'avion commence à perdre de l'altitude.

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L'avion commence à perdre de l'altitude tout en freinant, le marqueur d'angle d'incidence idéal se rapproche du début de la piste, l'avion pourra bientôt redresser.

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L'angle d'incidence idéal est maintenant au début de la piste, et l'avion commence à redresser, il est maintenant possible de continuer l'approche avec le bon angle.

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L'avion arrive avec le bon angle en direction du début de la piste, l'approche peut continuer, il est maintenant proche de la piste.

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L'approche est presque terminée et l'altitude très faible, l'avion redresse alors légèrement pour arriver presque parallèlement à la piste afin de préparer l'impact, en gardant la vitesse stable, et avec le nez de l'avion vers le haut tout en perdant de l'altitude (sur les avions de ligne, des volets particuliers s'ouvrent au niveau des ailes).

On se rend compte qu'ainsi, malgré la quantité d'information à intégrer, la situation reste claire et synthétique, et sans même voir l'environnement du tout, tel que c'est le cas dans de très mauvaises conditions, l'information essentielle pour effectuer une manoeuvre difficile est malgré tout présente pour l'effectuer jusqu'aux dernières étapes.

Aux repères visuels s'ajoutent les informations chiffrées tel que la vitesse dans l'air, ou l'altitude par rapport au niveau de la mer et au sol. De plus, l'angle de roulis indiqué par un triangle pointant vers le haut sur les figures (Δ) n'a pas été exploîté. Celui-ci est utile aux manœuvres tel que les grands changements de cap

Nous avons donc schématisés différents écran représentant des images pouvant être affichées par l’ATH. Comme vous avez pu le voir les images sont toujours très minimalistes et restent claires dès lors qu’elles sont expliquées et cela même si on a peu ou pas de connaissance de pilotage. Toutes les données collectées et les traitement appliqués servent donc à créer ce type d’image minimalistes et synthétiques.

2.3. Source pour la production d'une image

Pour représenter l'informations nécessaires, différentes méthodes sont exploîtables pour produire une image.

Méthodes vectorielles

Ce sont les plus anciennes, constant en un affichage à base de lignes ou éventuellement de courbes composées ensembles pour représenter les formes. Celles-ci sont paritculièrement adaptées aux ATH dont l'interface est principalement composée de lignes, avec une faible diversité (toujours les mêmes éléments).

Cependant, celles-ci ne peuvent pas représenter tout type d'image, tel que l'image d'un porte-avion virtuel superposé à un porte-avion réel. Seulement un symbole représentant celui-ci. Il ne permet pas non-plus l'utilisation d'images animées ou de vidéos.

Manipulation d'images vidéos

Celle-ci est apparue de manière très transitoire, pour compenser les manques des affichages tête haute, et y incorporer de réelles images à l'échelle plutôt que des symboles.

Dans les années 1970, un groupe de chercheurs d'IBM ont mis au point un système permettant la recomposition d'une scène virtuelle à partir d'objets réels filmés, et de les afficher en superposition dans l'affichage d'un ATH.

Les premières approches utilisèrent une maquette de porte-avion, transformée dans 6 degrés de liberté pour appliquer les zoom, transformation de perspective, et de rotation, sans utiliser d'ordinateur, et uniquement par le biais de la source lumineuse.

Cela ayant été réalisé en émettant de la lumière sur l'objet à représenter, et en récoltant le front d'onde réfléchit sur celui-ci. Ce front d'onde lumineuse constitue la source d'information, le signal à travailler pour reconstituer la vue voulue. Par exemple une différence de phase de la lumière réfléchie donne une information sur la profondeur de l'objet.

Cet exemple met en évidence les efforts réalisés pour améliorer la qualité de la représentation alors que les systèmes d'information ne permettaient pas d'embarquer un moteur de rendu 3D dédié à un ATH.

Affichage matriciel

Les ATH modernes sont tous basés sur un affichage matriciel. Ceux-ci permettent à la fois d'afficher des lignes, et d'intégrer des éléments vidéos. Cela ouvrant la voie à de nouveaux types de données à représenter, tel que la scènes face au pilote filmée. Cela est grandement utile lors de vols dans l'obscurité quasi-totale. Certains avions peuvent ainsi filmer la piste d'atersissage et la projeter sur l'ATH. Cela constitue un Enhanced Vision System.

Lorsqu'il n'est vraiment pas possible de voire le sol, comme en plein brouillard ou que l'avion se trouve au milieu de nuages, il est possible de projeter sur l'ATH une vision entièmerement synthétique du milieu extérieur, recomposé en 3D par ordinateur, d'après la conaissances du sol et des mesures. Cela constitue un Synthetic Vision System

3. Affichage de l'image en superpostiton avec la scène

Et enfin, la dernière étape de ce processus consiste à afficher l’image de manière à ce qu’elle soit superposée à la vision du monde extérieur. Pour ce faire les rayons projetés sur la vitre faisant office d écran sont collimatés, c’est-à-dire faire en sorte que les rayons sortent parallèlement du collimateur de l’ATH.

En optique, lorsque des rayons lumineux provenant de l’infini sont parallèles entre eux, et qu’ils passent au travers d’un système optique ils vont alors naturellement se focaliser en un seul et même point. De ce fait si l’œil de l’utilisateur se trouve à la bonne distance de la vitre réfléchissant les rayons lumineux, alors les rayons lumineux se focaliseront sur la cornée de l’utilisateur. Ainsi, l'image apparaît parfaitement nette à l'utilisateur et intégrée à la vision que ce dernier à de son environnement. On peut voir l'application de cette propriété sur l’image ci-dessous.

Propriétés attendues du dispositif complet

1. Fiabilité du système

Le pilotage d'un avion était possible sans instruments ni assistance, mais l'évolution de l'aviation intégrant des plans de vols, des règlementations sur les trajectoires, sur l'altitudes, la vitesse, l'évolution de l'armement pour les vols militaires, et les engagements pris par les pilotes, tel que les pilotes de lignes font qu'il n'est clairement pas désirable d'être privé d'instruments au milieu d'un vol. L'avionique se doit ainsi d'être d'une grande fiabilité.

L'amélioration de la fiabilité s'est effectuée sous forme de prise de décision et d'améliorations au niveau de la conception.

Ainsi, on note de nombreuses innovations incrémentielles améliorant la fiabilité des ATH. On note par exemple l'incorporation de systèmes d'auto-diagnostique continu et de détection des erreurs. Un système mis au point pour le AV-8A Harrier permettait ainsi d'afficher le nombre d'erreurs détectés depuis le début de la mise en service du dispositif[7].

Un autre exemple [6] a permis de porter le temps moyen entre chaque pannes d'un collimateur de 300 heures à 600 en remplaçant un système de réglage complexe utilisant un servo-moteur par une conception fixe plus facie à démonter en cas de panne (sans outils), et plus léger.

Ces exemples montrent que des dispositifs dédiés à la fiabilité, et la simplification du fonctionnement d'un appareil existant peuvent conduire à une fiabilité accrue.

2. Qualité de l'image

Comme nous l’avons vu précédemment, il y a beaucoup d’étapes nécessaires avant de pouvoir afficher l’image voulu pour l’utilisateur. Cependant nous ne pouvons pas nous contenter de ces seuls étapes car l’image en elle-même doit respecter des critères précis afin de ne pas nuire à la bonne visibilité que le pilote aura de son environnement extérieur et afin d’être compréhensible par ce dernier. Les principaux critères que l’image doit respecter sont les suivants :

Perspective d'évolution

Tout au long de ce rapport, nous avons abordés le cas de l’ATH dans le domaine de l’aviation, cependant l’ATH existe d’ores et déjà dans d’autres véhicules tel que la voiture par exemple et il tend également à investir d’autres domaines [20] notamment dans le loisir. Nous allons donc ici vous présenter quelques domaines dans lesquels l’ATH tente de faire une percée et les évolutions que celui-ci subit ou qu’il pourrait subir à l’avenir.

Par exemple comme on l’a dit ci-dessus l’ATH tente de se démocratiser dans le domaine de l’automobile. En effet certains constructeurs ont présentés des prototypes de voitures dans lesquels le compteur de vitesse, la jauge d’essence et toutes les informations habituellement affichées sur le tableau de bord seraient présentes sur la partie inférieure du pare-brise et cela afin que le conducteur, comme pour le cas d’un pilote d’avion, puisse vérifier toutes ces informations sans détourner le regard de la route.

On peut aussi parler de la présence d’ATH dans les casques de moto. En effet en janvier 2016, à l’occasion du Consumer Electronics Show de Las Vegas, BMW à présenter un casque de moto dans lequel un ATH était intégré afin d’afficher des informations telles que la vitesse par exemple, directement sur la vitre de protection du casque. Dans ce cas, l’ATH présente également un intérêt pour la sécurité des conducteurs de deux-roues qui sont plus souvent impliqués dans des accidents que ne le sont les conducteurs d’automobile.

Et enfin, comme dernier exemple d’évolution de l’ATH, on peut parler des Google Glass, qui bien que n’ayant pas eu un grand succès sur le marché, ont tout de même réussi à adapter un ATH à une paire de lunette et cela en le miniaturisant. Cet exemple nous montre clairement que des évolutions plus importantes sont possibles pour l’ATH dans le futur. On pourrait par exemple penser à des ATH qui seraient utilisés quotidiennement et/ou pour les loisirs. Ces perspectives d’évolutions, bien qu’intéressantes soulèveraient de nouveaux défis techniques notamment concernant les effets de l’utilisation en continu de ce type de technologies.

Conclusion

Le système de collimateur de pilotage, devenu l'ATH, est apparu dans un milieu difficile causant des difficultés à son inventeur qui s'est marginalisé en tentant de le populariser.

L'information qu'il apporte est à mi-chemin entre une information active et passive: elle est mise à jour en permanence pour informer passivement de la situation environnante à l'usager, mais l'information affichée s'adapte à l'environnement, ce qui attire l'attention de l'utilisateur, à la différence d'une information passive.

Il est nécessaire d'intégrer de nombreuses sources d'informations et de les ajuster en fonction de l'orientation et position du dispositif. Cela rend nécessaire la présence d'un ordinateur dédié au traitement de l'information dans le dispositif. Celui-ci n'étant pas transparent, il est dégagé de la zone d'affichage.

Ces informations ont souvent une analyse théorique difficile à réaliser avant de pouvoir implémenter un algorithme, tel que la mécanique du vol, la reconaissance de caractère ou l'identification d'objets physique, faisant ainsi appel à une recherche de pointe.

Pour pouvoir faciliter la lecture de la situation à l'utilisateur, l'image produite se doit d'être d'une grande simplicité et clarté, sans ambiguïté, cela demande d'avoir recourt à des techniques de représentations parfois sophistiquées [11].

De plus, la lumière émise se doit d'être collimatée à l'infinie, et superposée à l'environnement. Un système optique élaboré est également nécessaire, le plus souvent décomposé en deux ensembles; l'un produisant l'image non colimatée sur fond opaque et l'autre la colimatant et la superposant.

Cela conduit à un système complexe, décomposé en plusieurs parties gérant chacune une fraction de la complêxité.

Ensuite, les conditions dans lequel le système est utile sont principalement celles où la visibilité est moindre, et comme l'image est superposée à un environnement qui change en permanence, il y a une grande exigence sur la qualité de l'image produite. Ces conditions de mauvaises visibilité sont très variées en nature, tel que forte et faible luminosité, et le dispositif doit pouvoir s'adapter à tous les extrêmes, voire même à alterner entre les extrêmes. Ses propriétés doivent donc couvrir une grande amplitude, et changer rapidement.

Étant souvent utilisé par un utilisateur en mouvement, l'ATH se doit d'y être tolérant, et de supporter des secousses, et de maintenir, dans la mesure du possible, l'affichage malgré le décalage entre lui-même et la tête de l'utilisateur tout en conservant la collimation à l'infini.

Aussi le système se doit d'être d'une fiabilité exemplaire, car il est utilisé lorsque l'attention de l'être humain vient à ne plus suffir dans des tâches dangereuses et risquées, tel que le pilotage d'un avion de ligne ou de chasse.

Par ailleurs, un élargissement au grand public n'est envisageable que si le dispositif, composé de plusieurs ensembles, et déjà soumis à de nombreuses contraintes, puisse être réduit a un encombrement minimum (jusqu'à être porté sur le visage). Cela incluantt également de pouvoir s'adapter aux contraintes d'un autre environnement si celui-ci doit s'intégrer à un environnement préexistant (tel qu'une voiture).

À la fois dans la gestion de la complexité du système, du fait qu'il apporte une information en situation les propriétés mécaniques

Le dispositif de l'Affichage Tête Haute est de par sa nature, soumis à de très nombreuses contraintes pour sa conception. Outre les difficultés historiques, celles-ci sont dues au type d'affichage: collimaté à l'infini et superposé à l'environnement; à son usage: assister la lecture de l'usager lorsque celle-ci ne suffit pas dans des situations à risque, dans des situations complexes à analyser; à l'environnement auquel il est comfronté: changeant, et comportant des extrêmes opposés.

Malgré les difficultés à le mettre en place, les intérêts qu'il apporte à l'aviation et à d'autres domaines ont fortement contribuées à son développement. Celui-ci passa par des prouesses techniques propres à chaque époque [11], et fait appel aux dernières avancées dans des domaines théorique (physique, identification d'objets) et techniques.

Leur utilisation est restée militaire pendant un certain temps, puis s'est ouvert à quelques milieux professionnels, et commence seulement à atteindre la sphère des consommateurs.

Compte tenu des investissements dont le système a bénéficié et les efforts accordés, il est possible que l'arrivée des dispositifs d'affichages tête haute sur le marché grand public provoque un boulversement social à l'image d'internet, technologie ayant suivi le même parcours.

Ainsi l'intérêt est d'observer l'évolution de ces dispositifs au cours de leur processus d'intégration dans la société.

Références

    Principe de fonctionnement

  1. R. Dorf (2001) - The Avionics Handbook - University of California, Davis
  2. Histoire de l'ATH

  3. G. Klopfstein (1970) - Autour d'une polémique - Icare #82
  4. Bernard Chabbert (1996) - Philosophie Klopfsteinienne - Info-Pilote #mai
  5. T. Dubois (2001) - Le poste de pilotage de demain sera plus facile - Science et Vie #215
  6. B. Debiesse, H. Marzuoli, C. Tourdjman (2005) - Gilbert Klopfstein, Le père du Head Up Display (HUD) - Pilote de Ligne
  7. Sécurité en vol et fiabilité

  8. W. Widenhouse, W. Romans (1975-1976) - A Forecasting Technique for Operational Reliability (MTBF) and Maintenance (MMH/FH)
  9. R. Lowrie (1978-1980) - Reliability and Maintainability Improvement Program for the AV-8A Harrier Head-Up Display Set. Volume I. Modifications to Digital Display Indicator, IP-1351/AVQ-30(V). - Defense Technical Information Center
  10. R. Schmid (2000) - Pilot in Command or Computer in Command? - Air & Space Law #24
  11. W. Falkena (2012) - Investigation of Practical Flight ControlSystems for Small Aircraft - Delft University of Technology
  12. D. Beckett, Federico (2014) - What are the main differences piloting Boeing vs. Airbus aircraft? - aviation.stackexchange.com #149
  13. Dernières avancées pour chaque époque

  14. T. Harris, R. Schools, G. Sincerbox, D. Hanna, D. Delay (1968-1970) - Holographic Head-Up Display - Defense Technical Information Center
  15. D. Horning, K, Mellander, M. Finch, A. Miller, R. Horonjeff (1971) - Head Up Display Study - Defense Technical Information Center
  16. D. Hopper (2000) - Cockpit Displays VII: Displays for Defense Applications - SPIE #4022
  17. A. Olwal (2005) - Next-Generation Head-up Displays - University of California, Santa Barbara
  18. N. Ernstoff (2009) - Study and Development of an Integrated Head-Up Display - Defense Technical Information Center
  19. E. Volpi, F. Sechi, T. Cecchini, F. Battini, L. Bacciarelli, L. Fanucci, M. De Marinis (2009) - System Study for a Head-Up Display Based on a Flexible Sensor Interface - Lecture Notes in Electrical Engineering
  20. P. Verma, V. Karar, V. Niranjan, S. Saini (2015) - Analysis of Displays Attributes for use in Avionics Head up Displays - International Journal of Computer Applications #122
  21. Gulfstream Aerospace Corporation (2017) - Enhanced Vision System - gulfstream.com
  22. Les ATH dans d'autres domaines

  23. K. Asai, H. Kobayashi (2007) - Comparative Characteristics of a Head-Up Display for Computer-Assisted Instruction - International Conference on Human-Computer Interaction
  24. L. Prinzel, D. Jones, K. Shelton, J. Arthur, R. Bailey, A. Allamandola, D. Foyle, B. Hooey (2009) - Flight Deck Display Technologies for 4dt and Surface Equivalent Visual Operations - NASA Research Center
  25. B. Kress, R. Victorien, P. Meyrueis (2009) - Digital combiner achieves low cost and high reliability for head-up display applications - SPIE newsroom
  26. F. Block, D. Yablok, J. McDonald (1994) - Clinical evaluation of the ‘head-up’ display of anesthesia data - International journal of clinical monitoring and computing
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  28. B. Conner (2016) - BMW’s Head-Up Display Helmet - Cycle Worls