Le logiciel HAWK, l’estimation instantanée du vent, en 3D

Le logiciel HAWK, l’estimation instantanée du vent, en 3D

Avez-vous entendu parler de HAWK, le logiciel qui permet de calculer le vent instantanément ? Pour en savoir un peu plus, j’ai interviewé le professeur Dr. sc. techn. Heinrich Meyr, qui a développé le code derrière Hawk avec son doctorant Peng Huang.

Pouvez-vous nous expliquer comment Hawk a été créé ?

Nous avons développé ce logiciel dans le cadre d’un projet plus vaste concernant des drones. Nous voulions être en mesure de modéliser le vent en 3D : la masse d’air.

Depuis des années, le vent est calculé à partir d’une position GPS, de la vitesse de l’avion et d’une boussole qui donne l' »attitude » de l’avion. Cette option ne fonctionnait pas dans notre cas car les compas électroniques sont extrêmement sensibles aux perturbations électromagnétiques et aux erreurs de l’IGRF (International Geomagnetic Reference Field). Cela peut conduire à des erreurs importantes dans le calcul du vent. D’autre part, tous les algorithmes utilisés jusqu’à présent nécessitent d’avoir des points répartis sur beaucoup de temps pour calculer la moyenne. Ils ne fournissent au final pas de « vent réel » mais la moyenne des dernières minutes. En tant que pilote de planeur, je connaissais différentes options avec des capteurs, mais aucune d’entre elles ne semble être à la fois fiable et suffisamment précise pour ce dont nous avions besoin : le vent réel et maintenant.

Nous avons donc décidé d’utiliser un algorithme, basé sur un filtre de Kalman étendu (EKF). J’ai utilisé cet algorithme lorsque je travaillais pour le programme spatial. C’est le même algorithme fondamental qui a été utilisé pour faire atterrir Perseverance sur Mars. Cet algorithme utilise les données GPS, la pression totale et statique, un gyroscope tridimensionnel et un capteur d’accélération. Avec ces informations, et en se basant sur la stratégie des triangles successifs, il est possible d’estimer précisément « l’attitude » du planeur et sa trajectoire sur le référentiel Terre, et par conséquent, le mouvement de la masse d’air en 3D autour. En outre, l’horizon artificiel est inclus dans le logiciel, car nous devons générer cette information pendant le calcul.

Il était difficile de prouver mathématiquement à la communauté scientifique que l’on n’a pas besoin de boussole. Nous avons donc testé l’algorithme avec 6 pilotes dans 6 planeurs différents pour un total d’environ 100 vols. Mais nous enregistrions également toutes les informations, de tous les capteurs lors de ces vols. Par la suite nous les avons utilisées, au sol, en simulation, pour analyser et améliorer notre algorithme. Sans cette simulation, il n’aurait pas été possible d’améliorer l’algorithme autant que nous le souhaitions. En effet, toutes les variables utilisées sont finement liées.

Mesure instantanée du vent lors d’un vol de Klaus Ohlmann depuis Seynes avec un faible vent du nord. On peut voir la variation du vent depuis la vallée de la Durance (à droite) à Serre. L’information instantanée du vent vous permet de visualiser des phénomènes de vents locaux.

Avec le HAWK, vous pouvez avoir le vent instantané, mais aussi une meilleure information variométrique ?

Oui, comme vous le savez, les variomètre compensés par l’énergie totale donnent des informations erronées lors d’accélération ou de rafales de vent… Cela demande au pilote beaucoup d’intuition pour compenser cela. Par contre, une fois dans le thermique, l’information variométrique classique est bonne. Notre système n’est pas basé sur la conservation d’énergie donc nous n’avons pas ce problème.
Notre système vous montre le mouvement de la masse d’air. Nous avons un vrai netto, pas simplement la valeur du variomètre moins le taux de chute du planeur (d’après le polaire). Nous avions un pilote, un très bon pilote, compétiteur, et pendant qu’il testait le système, je pouvais analyser les données depuis le sol et je lui ai dit : « regarde, ton pilotage dans le thermique n’est pas optimal » et nous lui avons montré les « deux aiguilles ». Avec ces 2 aiguilles, vous pouvez visuellement appréhender la différence entre le mouvement de la masse d’air et le mouvement vertical de votre planeur. Si cet écart est trop importante, cela signifie que vous pouvez (devez) mieux optimiser votre montée. Il a comparé quand il volait symétriquement et quand il avait le fil de laine vers l’extérieur comme beaucoup de pilotes font. Nous avons conclu que vous ne montez pas bien quand vous volez asymétriquement dès 12-15 degrés d’asymétrie. C’était vraiment intéressant d’enregistrer et de pouvoir voir tout ce qui se passait pendant le vol. Quand à l’approche des deux aiguilles, elle est décrite en détail dans le manuel. Si les pilotes trouvent que notre vario est trop optimiste par rapport à leur vario effectif, il se peut qu’ils puissent adapter la symétrie du planeur et ainsi mieux monter pour s’approcher de notre vario.

Comparaison entre le HAWK et le variomètre classique à énergie totale.

Avez-vous d’autres conseils à donner aux pilotes avant qu’ils ne commencent leur essai gratuit ?

Nous l’avons rendu aussi facile que possible. Tous ces paramètres que nous utilisons pour le calcul peuvent être déroutants, surtout en vol. Ils sont donc tous intégrés. La seule chose que les pilotes doivent choisir est le temps d’intégration. En effet, le HAWK est vraiment « nerveux », ce qui rend les données difficiles à interpréter, nous utilisons un système d’amortissement : le SIGWIND qui lisse mathématiquement les données. Ce paramètre est configurable par chaque pilote qui peut ainsi décider de la nervosité du vario et de la lecture du vent.

Exemple de lecture de la force du vent, dans le temps (en seconde), en utilisant quatre valeurs différentes d’amortissement de SIGWIND.

HAWK ne dépend pas de la d’antenne de compensation, nous savons qu’elle peut présenter des fuites. Avez-vous une idée de la réaction de Hawk si les pressions sont erronées ?

En effet, nous n’utilisons pas l’antenne de compensation mais la pression totale. Pour l’instant, et en utilisant 6 planeurs différents, nous avons trouvé que leur installation permettait une mesure très fiable. Évidemment, si le planeur a une fuite, cela ne fonctionnera pas. Mais pour l’instant, nous n’avons pas eu de problèmes avec ces planeurs.

Pourquoi ce début d’implémentation sur la ligne de variomètre LXNAV S10 et S100 et non sur les calculateurs LX80xx et LX90xx ?

Il a été très facile d’implémenter Hawk dans les S10 et S100 car ils ont tous les capteurs dont nous avions besoin en un seul endroit. Ce sera fait dans quelques mois pour la les calculateurs LXxxxx. Soyez patients.

Merci beaucoup Dr Meyr.


Vous pouvez trouver ici, un article plus technique (en allemand) publié par le Prof. Heinrich Meyr dans le magazine Segeliegen.

Retrouvez le HAWK ici ou contactez-nous pour disposer d’un essai gratuit de Hawk sur votre variomètre S100 ou S10.