Brevet FR2557995A1 — publié le 19850712

Simulateur de navigation sur planche à voile La présente invention se rapporte à un simulateur de navigation utilisé en vue d'une initiation aux différentes opérations de manoeuvre d'une planche à voile. Plus précisément, la présente invention a trait à un simulateur de navigation sur planche à voile qui permet à un élève d'apprendre la technique de changement de cap de la planche, de la même façon que s'il la manoeuvrait dans des conditions réelles de navigation. La figure 1 est une vue schématique d'un simulateur de navigation classique dans lequel un mât 2 est monté sur une planche 1, par l'intermédiaire d'un joint à rotule 3, pour pouvoir pivoter librement et être incliné. Un wishbone 4 et une voile 5 sont fixés tous deux au mât 2. La planche porte un arbre pivot 6 sur sa face inférieure et un palier 7, solidaire d'un plateau d'appui 9, supporte l'arbre pivot 6. Un amortisseur 8 est également monté sur le plateau d'appui 9 et une courroie 10 est en rouléeautourdel'arbre pivot 6 et de l'amortisseur 8 pour développer une force résistante proportionnelle à la vitesse de rotation de l'arbre pivot 6. Le simulateur classique de navigation sur planche à voile, présentant la structure qui vient d'être décrite, est utilisé en plein air avec l'aide du vent naturel. Pour se servir de ce simulateur, un élève véliplanchiste se tient debout sur la planche 1 en arrière du joint à rotule 3 par lequel le mât 2 est monté sur la planche, et prend en mains le wishbone 4. Il peut modifier l'incidence du vent naturel par rapport à la voile 5 ainsi que la force qu'il exerce sur celle-ci, en manoeuvrant le wishbone 4 qui est solidaire de la voile 5. L'élève véliplanchiste déplace le poids de son corps pour contrebalancer la force appliquée sur la voile 5 et transmise par le wishbone4Ou manoeuvre le wishbone 4 de manière à modifier l'intensité de cette force.Si pour changer de cap dans le cas où le vent souffle de côté par rapport à la planche, l'élève véliplanchiste incline la voile 5 vers l'avant, la force du vent agira sur l'extrémité frontale de la planche 1 et celle-ci changera de direction en filant sous le vent. Par contre, s'il incline la voile 5 vers l'arrière, la force du vent agira sur la partie arrière de la planche 1 et celle-ci changera de direction en filant dans le sens du vent. En d'autres termes, la force du vent engendre un couple de rotation qui s'exerce sur la planche 1 autour de l'arbre pivot 6 et dans un plan perpendiculaire à ce dernier, en faisant ainsi tourner la planche 1 autour de l'arbre pivot 6. Etant donné que l'amortisseur 8 est relié à l'arbre pivot 6 par l'intermédiaire de la courroie 10, il développe un certain couple de freinage qui s'oppose à la rotation de la planche 1.Le mouvement de la planche tel que décrit cidessus est simulé comme si la planche à voile naviguait réellement sur l'eau et, de la sorte, un élève véliplanchiste peut apprendre les opérations réelles de manoeuvre de la planche à voile. Avec ce simulateur classique, il est indispensable de disposer d'un vent naturel ayant des directions et des vitesses déterminées, afin que l'élève véliplanchiste puisse apprendre les différents mouvements qui lui sont nécessaires pour diriger la planche. Toutefois, les caractéristiques du vent naturel sont souvent différentes de celles du vent qui souffle réellement sur l'eau, suivant l'endroit et la période de la journée où le simulateur est utilisé, ce qui fait qu'il est la plupart du temps impossible de se servir de ce simulateur comme appareil d'initiation. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients de ce simulateur connu, en proposant un simulateurde navigation qui permette à un élève de manoeuvrer une planche à voile, et en particulier de changer le cap de la planche, sous des conditions de vent fictives, même si le vent est nul. Ce but de la présente invention ainsi que d'autres sont atteints grâce à un simulateur de navigation qui se caractérise en ce qu'il comprend un mât muni d'un wishbone, une voile fixée à la fois au mât et au wishbone, une planche supportant le mât par l'intermédiaire d'une articulation, un arbre pivot supportant la planche à rotation, un détecteur de l'angle d'inclinaison du mât, une unité de traitement apte à calculer un angle de pivotement de la planche sous des conditions de vent fictives en fonction du signal de sortie du détecteur de l'angle d'inclinaison du mât, un générateur de signaux engendrant un signal de sortie représentatif de l'amplitude de l'angle de pivotement de la planche calculé par l'unité de traitement et une unité motrice apte à faire pivoter la planche autour de l'arbre pivot en réponse au signal de sortie du générateur de signaux. Le similateur objet de la présente invention va maintenant être décrit plus en détails, mais uniquement à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1, déjà décrite, représente une vue schématique d'un simulateur classique de navigation sur planche à voile - la figure 2 est une vue de face d'un mode de réalisation du simulateur de navigation sur planche à voile conforme à la présente invention - la figure 3 est une vue en coupe transversale agrandie d'une partie essentielle de la présente invention ; et - la figure 4 est un schéma-blocs d'un mode de réalisation du circuit de commande de la présente invention. Un mode de réalisation de la présente invention va être décrit en référence aux figures 2 à 4. Sur ces figures, les éléments désignés par les références numériques 1, 2, 4 à 6 et 9 se retrouvent dans l'appareil classique représenté sur la figure 1. Comme le montre la figure 3, une articulation 3a, montée sur la face supérieure de la planche 1, comprend un palier vertical 13 logé dans un renfoncement ménagé dans la planche 1, un axe vertical 14 retenu dans le palier vertical 13, deux paliers horizontaux 15 montés à la partie supérieure de l'axe vertical 14 et un axe horizontal 16 maintenu en place dans les paliers horizontaux 15. Un détecteur d'angle 17 est fixé à la fois à l'axe horizontal 15 et à l'axe vertical 14, pour détecter l'angle dtincli- naison du mât 2.Les détails de structure des moyens de support du mât sont décrits dans la demande de brevet japonais nO 139758/1983 intitulée "Simulateur de navigation sur planche à voile" déposée par la présente Demanderesse dans le simulateur de cette demande de brevet, l'unité motrice 12 de la planche est conçue pour être entralnée indépendamment d'un moyen d'inclinaison apte à déplacer le mât dans une direction perpendiculaire à la voile et d'un moyen d'entralnement en rotation apte à faire pivoter le mât sur lui-même. Comme on peut le voir sur la figure 2, l'unité motrice 12 de la planche est fixée à un plateau d'appui 9 pour entraîner en rotation un arbre pivot 6. La référence a désigne le centre d'application des forces de pression exercées par le vent sur la voile 5, tandis que la référence b désigne le centre fictif d'application des forces résistantes, correspondant au centre d'application des forces résistantes exercées par l'eau sur une partie saillante immergée dans l'eau, cette partie saillante étant, dans une vraie planche à voile, la dérive qui est fixée à la face inférieure de la planche 1 pour empêcher tout mouvement latéral de celle-ci. Sur la figure 4, la référence 18 désigne une unité de traitement qui comprend un convertisseur analogique-numérique 181, une unité centrale de traitement 182, une mémoire 183 et un terminal 18h, et qui calcule la vitesse de pivotement de la planche 1, dans des conditions de vent fictives, en fonction du signal de sortie du détecteur 17 de l'angle d'inclinaison du mât, qui peut etre un potentiomètre-171. La référence 19 désigne quant à elle un générateur de signaux constitué par un convertisseur numérique-analogique 191 qui engendre un signal représentatif du résultat du calcul exécuté par l'unité de traitement 18, ce signal activant l'unité motrice 12 de la planche. De son côté, l'unité motrice de la planche comprend un amplificateur de réglage 121 et un moteur hydraulique 132.Les conditions de vent fictives constituent une simulation du vent naturel et sont programmées pour correspondre à des vitesses et des directions variables du vent dans le cadre d'un cours d'initiation ou de formation. Dans le simulateur de navigation sur planche à voile présentant la structure qui vient d'être décrite, on considère qu'aucun couple de rotation centre autour de l'arbre pivot 6 ne s'exerce sur la planche 1 et que celle-ci se dirige en ligne droite, dans le cas où le centre d'application a des forces de pression exercées par le vent sur la voile 5 se trouve juste à l'aplomb du centre fictif d'application b des forces résistantes sur la planche 1, c'est-à-dire quand=0 sur la figure 2.Dans ces conditions, si la distance en ligne droite entre les points a et b est L et si6(représente l'angle d'inclinaison du mât vers l'avant ou l'arrière par rapport à une direction de référence, en l'occurence la position du mât 2 lorsque %20, une composante 2 de direction horizontale apparaît dans la distance entre le point a et le point b quand on modifie l'angle d'inclinaisono(. Dès lors, la valeur de L est donnéepar l'équation suivante R = L.tg o( (I) Quand un vent fictif agit sur la point a avec une force F et sous un angle d'incidence 4, il donne naissance à un couple de rotation T qui fait pivoter la planche 1 autour de l'arbre pivot 6 si bien que la planche 1 change de cap.On obtient ainsi l'équation suivante T = F..Z. sin e. (II) dans laquelle T est le couple de rotation agissant sur la planche 1 au centre d'application b des forces résistantes, F est la force du vent qui s'exerce sur le centre d'application a des forces de pression du vent, {est la distance horizontale entre les points a et b, et G est l'angle défini entre un plan passant par les points a et b et la direction du vent au point a. L'équilibre des forces s'exerçant sur la planche 1, quand le couple T s'applique sur cette dernière, s'exprime par l'équation suivante + + + CW = T (III) dans laquelle I est le moment d'inertie de l'ensemble formé par la planche 1, le mât 2, le wishbone 4, la voile 5 et la poids de l'élève véliplanchiste, est l'angle du changement de direction de la planche 1 provoqué par le couple T, à savoir le nouveau cap, t est la vitesse angulaire du pivotement de la planche, g est l'accélération angulaire lors du pivotement de la planche 1, et C est le coefficient de résistance de l'eau. Dans les équations ci-dessus, si la force fictive F et l'angle d'incidence O du vent sont déterminés, la distance horizontale t entre les points a et b peut être calculée d'après l'équation (I) quand est connu l'angle d'inclinalsonatpar rapport à la direction de référence, dans le plan incluant la voile 5 portée par le mât 2. En conséquence, l'angle sur lequel doit pivoter la planche 1 est défini par la solution satisfaisant les équations II et III. Dès lors, un signal pilote, commandant un changement de cap d'angle'l(de la planche 1, est introduit dans l'unité motrice 12 de la planche et, en réponse à ce signal pilote, la planche 1 est entralnée en rotation autour de l'arbre pivot 6. Les différentes phases opératoires susmentionnées vont maintenant être décrites plus en détails en référence à la figure 4 qui représente le schéma-blocs du circuit de commande du simulateur de l'invention. Le détecteur d'angle 17, constitué par le potentiomètre 171, émet un signal de détection représentatif de l'angle d'inclinaison du mât, ce signal de détection étant introduit dans l'unité de traitement 18, dans laquelle il est converti en un signal numérique par le convertisseur analogiquenumérique 181 avant d'être transmis à l'unité centrale de traitement 182 qui calcule un angle de pivotement de la planche 1 sous des conditions de vent fictives stockées dans la mémoire 183.Les conditions de vent fictives sont en fait des informations relatives au vent, qui sont représentatives d'un grand nombre de vitesses et d'incidences et qui sont préalablement introduites dans la mémoire 183 par le terminal 184. De la sorte, l'unité de traitement 18 calcule la solution ff qui satisfait les équations I, II et III en réalisant, par exemple, une intégration par une méthode d'accélération linéaire. Ce calcul requiert normalement environ vingt opérations de calcul de produits par point de flottaison. Il peut toutefois être exécuté en moins d'une milliseconde si l'on utilise un circuit de calcul numérique. Le signal représentatif de l'angle de pivotement II de la planche 1, tel que calculé par l'unité de traitement 18, est introduit dans le convertisseur numérique-analogique 191 dans lequel il est converti en un signal analogique. Le signal d'angle analogique est alors appliqué à l'entrée de l'amplificateurde réglage 121 pour activer le moteur hydraulique 132 et, de la sorte, la planche 1, solidaire de l'arbre pivot 6, est entraînée en rotation. Le circuit de commande est conçu pour agir en continu et de façon répétée à unecadence d'1/10e de seconde ou moins, ce qui fait que la planche 1 pivote sans à-coups en réponse à l'angle d'inclinaisoni du mât 2 en concourant à l'obtention de conditions identiques aux conditions réelles de manoeuvre d'une planche à voile.En conséquence, l'élève véliplanchiste ressent un mouvement uniforme de la planche 1 et peut apprendre la technique de changement de cap de la planche comme s'il la dirigeait réellement, sous des conditions de vent fictives. Dans ce qui précède, on a décrit une application des principes de la présente invention à un simulateur de navigation sur planche à voile. Il est toutefois possible de mettre en oeuvre la présente invention en association avec d'autres engins de navigation, tels que des traîneaux à voile, des yachts, des canoës et autres, ainsi qu'avec des véhicules terrestres, tels que des planches à roulettes, pour en faire un dispositif d'initiation aux techniques de changement de cap Selon la présente invention, le simulateur de navigation sur planche à voile est conçu de telle façon que l'angle d'inclinaison du mât soit détecté par un détecteur d'angle, qu'un signal de sortie de ce détecteur soit utilisé pour le calcul de l'angle de pivotement de la planche sous des conditions de vent fictives et que la planche soit entraînée en pivotement par une unité motrice en réponse à un signal résultant de ce calcul. En conséquence, il est possible pour un élève d'apprendre les opérations de maniement de la voile en réponse au changement de cap de la planche sous des conditions de vent fictives, même avec un vent nul. REVENDICATIONS 1. Simulateur de navigation, caractérisé en ce qulil comprend un mât (2) muni d'un wishbone (4), une voile (5) fixée à la fois au mât et au wishbone, une planche (1) supportant le mât par l'intermédiaire d'une articulation (3a), un arbre pivot (6) supportant la planche à rotation, un détecteur (17) de l'angle d'inclinaison du mât, une unité de traitement (18) apte à calculer un angle de pivotement de la planche sous des conditions de vent fictives, en fonction du signal de sortie du détecteur de l'angle d'inclinaison du mât, un générateur de signaux (19) engendrant un signal de sortie représentatif de l'amplitude-de l'angle de pivotement de la planche calculé par l'unité de traitement et une unité motrice (12) de la planche apte à la faire pivoter autour de l'arbre pivot (6) en réponse au signal de sortie du générateur de signaux (19). 2. Simulateur de navigation selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité de traitement (18) réalise un calcul permettant d'obtenir une valeur d'angle de pivotement qui constitue une solution au système d'équations suivantes (I), (II), (III) 2 = L. tgc( (I) dans laquelle L est la distance en ligne droite entre le centre d'application (a) des forces de pression du vent et le centre d'application (b) des forces résistantes ;;o( est l'angle d'inclinaison du mât (2) etk est la composante horizontale de la distance entre les points (a) et (b) T = F. t.sin O (II) dans laquelle T est le couple de rotation agissant sur la planche 7 au centre d'application (b) des forces résistantes, F est la force du vent qui s'exerce sur le centre d'application (a) des forces de pression du vent, JL est défini ci-dessus, O est l'angle défini entre un plan passant par les points a et b et la direction du vent au point a ; et I X + C 8 = T (III) dans laquelle I est le moment d'inertie de l'ensemble formé par la planche 1, le mât 2, le wishbone 4, la voile 5 et le poids de l'élève véliplanchiste est la vitesse angulaire du pivotement de la planche, & est l'acceléra- tion angulaire lors du pivotement de la planche 1, et C est le coefficient de résistance de l'eau. 3. Simulateur de navigation selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité motrice (12) de la planche est mûe par un dispositif d'asservissement électro-hydraulique (121, 132).