Brevet FR2444310A1 — publié le 19800711

La présente invention concerne les simulateurs de conduite d'engins munis d'un outil capable ae modifier l'environ- nement de l'engin et elle trouve une application particulièrement importante dans l'enseignement de la conduite des engins de terrassement. L'apprentissage de la conduite de tels engins est extrêmement coûteux. Le court horaire d'emploi d'un engin est élevé. Le risque d'accident est important. Les terrains d'exercicessont de plus en plus difficiles à trouver à proximité des villes. On pourrait penser que les simulateurs classiques utilisés pour la formation des équipages d'aviron peuvent être transposés au domaine des engins de terrassement. Les simulateurs les plus simples se réduisent à la reproduction d'un poste de conduite, à partir duquel on commande à distance un modèle réduit. Les simulateurs les plus élaborés utilisent un calculateur qui crée, par génération synthétique, une image présentée à la personne entrainée sur simulateur. Même les versions les plus élaborées de ces simulateurs permettent uniquement de présenter au conducteur l'image qu'il verra d'un environnement de structure invariable suivant les mouvements qu'il imprimera à l'aide des organes de conduite dont il dispose, Mais ces simulateurs ne permettraient pas de prendre en compte les déformations imposées à l'environnement par l'engin. I1 faut d'ailleurs remarquer au passage que la simulation des déformations de l'environnement par un simulateur utilisant une génération synthétique d'images impliquerait un volume de calcul et de mémoire inacceptable et une programmation extremement complexe. La présente invention vise à fournir un simulateur de conduite d'engin capable de modifier son environnement qui, tout à la fois, fournit au conducteur des perceptions sensorielles ayant un degré de ressemblance élevé et ne met en oeuvre que des moyens relativement simples. Dans ce but, l'invention propose un simulateur comprenant une cabine de conduite munie d'organes de commande reproduisant ceux de l'engin simulé et un calculateur déterminant les mouvements imprimés à l'engin par la manoeuvre desdits organes, caractérisé notamment en ce qu'il comprend une maquette à échelle réduite de l'outil et de l'environnement et des moyens commandés par le calculateur pour imposer à là maquette de l'engin et de l'outil des mouvements correspondant à la mise en action des organes ainsi que des moyens présentant au conducteur une image à l'échelle réelle d'une partie au moins de la maquette, correspondant au champ de vision normal du conducteur depuis la cabine. Du fait que la maquette comporte non seulement la représentation de l'engin, mais aussi celle de l'environnement, le conducteur a une vue réaliste du travail effectué. Ce résultat est atteint grâce à la dissociation des deux fonctions du simulateur, la transformation des ordres de commande en déplacements des différents composants du système (contrôlés par le calculateur) et la représentation du résultat obtenu (par simple présentation au conducteur de l'environnement modifié et éventuellement aussi d'une fraction de l'engin). On peut ainsi facilement adapter le simulateur à tout cas particulier, soit par modification du programme, soit par modification de la nature de l'environnement. Dans tous les cas, le coût reste modéré et incomparablement inférieur à celui d'un simulateur comportant des moyens de calcul à restitution synthétique d'images, qui, de plus, ne fournirait pas les mêmes avantages. Il est important de noter que ce n'est pas la nature de la maquette qui détermine les déplacements en réponse aux commandes. Ces déplacements sont déterminés par le calculateur et les déplacements de la maquette lui sont imposés par un mécanisme qui la supporte. Par exemple, dans le cas d'un engin de terrassement, le poids de la maquette de l'outil, la pression qu'elle exerce sur le sol1 etc. n'auront aucune influence sur sa profondeur d'enfoncement dans le sol et la pénétration de l'outil. Mais, si la nature du terrain de la maquette n'a pas d'influence sur la position de l'outil par rapport à lui, elle déterminera par contre dans une certaine mesure les conséquences du déplacement imposé à 1' engin sur 1' envi- ronnement immédiat, par exemple la pente de talus.Pour que cette pente reproduise le plus possible celle que l'on trouvera dans la réalité, en particulier dans le cas d'engins du type pelleteuse, on pourra choisir de façon appropriée le terrain de la maquette et par exemple le constituer suivant le cas : de sable, de sable additionné d'eau, ou de mélange de sable et d'un produit tel qu'une résine lui donnant une cohésion accrue. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un simulateur qui en constitue un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 est un schéma synoptique de principe montrant la cabine et l'électronique qui lui est associée, - la figure 2 est un schéma d'ensemble montrant la maquette incorporée au simulateur (l'échelle n'étant pas respec tée pour plus de clarté), - la figure 3 est une vue de détail d'une fraction de la maquette, indiquant un emplacement possible des palpeurs dont elle est munie. Le simulateur montré schématiquement sur les figures est destiné à l'apprentissage de la conduite d'une niveleuse, mais il pourrait, sans modifications notables autres que de la maquette et du programme, s'appliquer à d'autres engins de terrassement. Le simulateur montré en figure 1 comporte une cabine 10 destinée-à recevoir le conducteur sur un siège 11. La cabine est portée par des vérins 12, qu'on supposera électriques, permettant de lui donner l'inclinaison qui résulte de manoeuvres simulées. Le conducteur a à sa disposition les organes normaux de conduite : pour plus de simplicité seuls ont été représentés un volant 13 et un changement de vitesses 14. Dans la pratique, on y trouvera également les organes d'accélération, de freinage, de déplacement de l'outil constitué par une pelle etc. Chacun des organes de conduite est associé à un capteur de mouvement qui peut être de nature classique, fournissant un signal électrique représentatif de la manoeuvre. Ceux des organes qui dans la réalité sont soumis à une réaction, par exemple le volant, sont munis d'un servo-moteur commandé par le système de calcul qui sera décrit plus loin, donnant au conducteur une sensation de conduite réelle. Ces servo-moteurs seront généralement électriques, bien qu'on puisse envisager un fonctionnement hydraulique. Le simulateur comporte également une maquette destinée à donner au conducteur une représentation visuelle des déformations qu'il imprimerait dans la réalité au terrain. Cette maquette (figures 2 et 3) comporte un bac destiné à recevoir une couche suffisamment profonde de terrain 16 dont la consistance peut être choisie en fonction de celle du sol auquel on souhaite habituer le conducteur. La maquette comporte, au-dessus du bac 15, une structure rigide 17 portant une maquette 18 de la partie avant de la nive leuse par l'intermédiaire d'un mécanisme permettant d'imposer à cette maquette de niveleuse tous les mouvements qu'elle est susceptible de prendre dans la réalité. Dans le mode de réalisation montré en figure 2, ce mécanisme comporte un pont roulant 38 déplaçable sur des rails de la structure et muni d'un chariot 19.L'ensemble du pont roulant 38 et du chariot 19 permet d'effectuer des déplacements dans deux directions rectangulaires x et y. Le chariot est muni d'un bras vertical 20 télescopique, fournissant le mouvement en "Z". Enfin, les changements d'orientation nécessaires autour de trois axes rectangulaires sont réalisés par un ensemble reliant le bras à la maquette de partie avant 18, comprenant par exemple une fourche 21 rotative autour de la direction z (angle V ), une noix 22 rotative dans la fourche 21 autour d'une direction perpendiculaire à z (angle ) et un longeron 23 rotatif autour d'une troisième direction (angle O). La lame ou pelle 24 est porte par le longeron 23, par l'intermédiaire d'un organe 26 permettant de modifier son orientation et sa position. Le longeron 23 porté à l'extrémité un train de roues 25. Chaque degré de liberté de la maquette de l'engin et de l'organe de commande de cette maquette (pelle 24, longeron 23, colonne 20) est muni soit d'un actionneur de type moteur à pas à pas, soit d'un actionneur et d'un détecteur permettant d'assurer le contrôle de tous les mouvements relatifs. La maquette de l'engin est, de plus, munie de capteurs 31,32 permettant de déterminer la position relative du terrain par rapport à différents organes de la maquette, tels que roues avant, pelle, train arrière. Ces capteurs peuvent etre de type ultra-sonore, émettant des ondes ultra-sonores vers le sol et recevant l'écho. L'intervalle de temps entre émission et caractérise la distance du terrain. Les capteurs peuvent etre encore de type potentiométrique : on mesure les déplacements de palpeurs en contact avec le terrain. Ces palpeurs peuvent dans certains cas être incorporés à des organes de la maquette (dans l'essieu de roues avant par exemple). Enfin, la maquette est munie de moyens destinés à pré senter une image aussi réaliste que possible au conducteur. Il pourra s'agir d'une caméra de télévision 26 montée sur la maquette de l'engin à un emplacement tel que son champ de vision corresponde à celui du conducteur. Dans le mode de réalisation montré en figure 3, cette caméra est montée sur la fourche 21 et son champ de vision comprend le train de pneus 25, la pelle 24 et le terrain environnant. La caméra 26 est couplée à un projecteur 27 qui fournit une image sur un écran 28 placé devant le conducteur (figure 1). Une solution donnant une image plus réaliste consiste à utiliser deux caméras 26 fournissant des angles différents et à restituer une image en relief en utilisant deux projections par des faisceaux de lumiere polarisée, le conducteur devant alors être muni de lunettes dont le verre gauche et le verre droit sont constitués par des analyseurs dont les directions de polarisation sont croisées. Le système de calcul du simulateur comporte essentiellement une unité centrale de calcul 29 munie d'un pupitre 30 de gestion. Ce simulateur reçoit des signaux d'entrée provenant, d'une part, des capteurs associés aux organes de conduite tels que 13 et 14, d'autre part, des signaux représentatifs de la position de la maquette, fournis par les capteurs tels que 31 et 32. Le calculateur comporte une mémoire contenant un pro- gramme de gestion des entrées-sorties, un programme de détermination de l'attitude et de la position de l'engin en repères simulateurs, ainsi qu'un programme de transposition des données d'attitude et de position en consigne angulaire et linéaire au niveau de chacun des degrés de libertés de la maquette. La détermination de l'attitude et de la position de l'engin et de ses éléments principaux est effectuée en fonction des commandes par le conducteur, des indications fournies par les capteurs 31 et 32, de la connaissance a priori de la dynamique et de la cinématique de l'engin et du choix a priori du (ou des) paramètre(s) définissant la consistance du terrain. Les signaux de commande des déplacements en x, Y, z et des changements d'orientation sont envoyés, par le calculateur 29, à un bloc 33 d'alimentation de moteurs 34 par une ligne 35. En même temps, le calculateur 29 élabore des ordres destinés à donner au conducteur la sensation des résultats de ses manoeuvres. Ces ordres sont envoyés par une ligne 36 à un bloc 37 de mécanisation d'efforts et de mouvements qui commande les vérins 12 et les organes de création d'effort de réaction sur les organes de conduite tels que 13 et 14. Le calculateur 29 peut, de pl-us élaborer des signaux de bruitage destinés à augmenter le réalisme, appliqués à vln haut-parleur 39. Le bruitage ainsi obtenu va essentiellement varier suivant le régime et la charge du moteur de l'engin simulé. Le processus mis en oeuvre ressort de la description qui précède et il n'est donc pas nécessaire de l'indiquer en détail. Chaque manoeuvre du conducteur sera prise en compte par le calculateur qui, en tenant compte des paramètres introduits à l'aide du pupitre 30 et définissant notamment la consistance du terrain à simuler, d'une part, imposera à la maquette les changements de position et d'orientation calculés et, d'autre part, fournira une réaction en position et en effort à la cabine. Le terrain de la maquette sera évidemment choisi de façon à donner un aspect aussi réaliste que possible. On pourra en particulier modifier le taux d'humidité du terrain. Le dispositif ainsi réalisé permet de former des débutants ou des personnes peu expérimentées dans la conduite d'engins à un point tel que la durée de fin de formation sur engins réels est réduite dans des proportions très considérables. Le dispositif n'exige de plus qu'une maintenance réduite et il est susceptible de s'adapter à des types d'engins très divers par simple modification du programme. REVENDICATIONS 1. Simulateur de conduite d'engin muni d'un outil capable de modifier l'environnement de l'engin, comprenant une cabine de conduite munie d'organes de commande reproduisant ceux de l'engin simulé et un calculateur déterminant les mouvements imprimés à l'engin par la manoeuvre desdits organes, caractérisé en ce qu'il comprend une maquette à échelle réduite de l'outil et de l'environnement et des moyens commandés par le calculateur pour imposer à la maquette de l'engin et de l'outil-des mouvements correspondant à la mise en action des organes, ainsi que des moyens présentant au conducteur une image à l'échelle réelle d'une partie au moins de la maquette, correspondant au champ de vision normal du conducteur depuis la cabine. 2. Simulateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour imposer les déplacements à la maquette de l'engin et de l'outil comportent un mécanisme portant la maquette de l'engin et permettant d'imposer à celle-ci les déplacements requis. 3. Simulateur suivant la revendication 2, de conduite d'engin de terrassement, caractérisé en ce que la maquette comporte un terrain, de consistance représentative de celle d'un sol à traiter, par rapport auquel le mécanisme peut déplacer l'engin. 4. Simulateur suivant la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la maquette est munie de capteurs de détermination de sa position et de son attitude et/ou de sa position par rapport au terrain de la maquette. 5. Simulateur suivant l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les moyens destinés à présenter une image au conducteur comprennent des moyens de prise de vue fixés au mécanisme portant la maquette et des moyens de reproduction en temps réel. 6. Simulateur suivant la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de prise de vue et de restitution fournissent une image stéréoscopique. 7. Simulateur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens pour imposer à l'outil des mouvements comprennent des moteurs commandés par le calculateur et permettant d'imposer à différentes parties de la maquette de l'engin des mouvements forcés suivant certaines des trois directions orthogonales et certaines des trois directions angulaires, de façon à restituer les déplacements et les mouvements de dévers et de tangage.