Brevet FR2580101A1 — publié le 19861010

SYSTEME DE RESTITUTION D'EFFORT A MOTEUR-COUPLE ELECTRIQUE La présente invention se rapporte à un système de restitution d'effort à moteur-couple électrique pour la simulation des commandes de pilotage ou de conduite de véhicules. Elle concerne l'entraînement des pilotes et des conducteurs au moyen de simulateurs et plus particulièrement d'entraîneurs, dans lesquels des reproductions de postes de pilotage ou de conduite comportent tous les organes de conduite et tous les instruments de bord de l'avion ou du véhicule réel. La simulation porte non seulement sur la disposition et l'aspect des organes de conduite mais aussi sur les efforts nécessaires à leur manoeuvre. La présente invention concerne plus particulièrement un système de restitution d'effort, simulant une commande réelle, et capable de communiquer à l'organe de conduite, volant ou manche, et par suite au pilote ou au conducteur à l'entraînement, des efforts identiques à ceux qui sont demandés pour actionner la véritable commande. On connaît des systèmes de restitution d'effort formés principalement par un servovérin hydraulique commandé par une servovalve et par des capteurs de déplacement, de vitesse et de force. Ces systèmes hydrauliques sont utilisés, par exemple pour la simulation des commandes principales d'avions. Leur encombrement est important et leur puissance nominale est souvent excessive devant celle qui est transmise au pilote par l'organe de conduite. Par leur mouvement linéaire et leur faible course, les vérins hydrauliques imposent fréquemment pour la transmission des efforts, des bielles de liaison articulées qui apportent par leurs jeux et leurs frottements éventuels, des non-linéarités qui nuisent à la qualité des efforts restitués. Ils nécessitent une infrastructure hydraulique comprenant une centrale hydraulique, des circuits de distribution et de filtrage, des capacités hydrauliques, qui peut être bruyante et dont la mairitenance doit être faite périodiquement par des spécia listes.Pour ces raisons les vérins hydrauliques ne sont justifiés que sur les simulateurs pour lesquels une infrastructure hydraulique est déjà imposée pour la mise en mouvement de la cabine de pilotage. Le système de restitution selon l'invention est plus particulièrement destiné à équiper les entraîneurs dans lesquels en général, les mouvements de cabine ne sont pas reproduits. Pour ce domaine d'application, des systèmes de restitution d'effort ont déjà été réalisés au moyen d'ensembles électromécaniques comportant des ressorts, des embrayages et des freins électromagnétiques. Ces systèmes sont néanmoins encombrants et, en général, ne permettent pas de reproduire parfaitement les lois d'effort réelles. De plus, les sensations particulières, provoquées par un frottement à hystérésis, qui se rencontrent dans les systèmes hydrauliques sur avions, ne sont pas exactement simulées. Le système selon l'invention peut également trouver des applications intéressantes, en robotique, l'organe de conduite étant alors remplacé par un élément approprié permettant une action mécanique pour laquelle l'effort transmis doit satisfaire une loi prédéterminée. L'objet de la présente invention est un système de restitution d'effort consommant une puissance en rapport convenable avec celle qui est restituée par l'organe de conduite, exempt de non linéarité, de faible encombrement, propre et silencieux, et ne nécessitant qu'un minimum de maintenance. Une caractéristique du système de restitution d'effort selon l'invention est de comprendre, en ligne et sans articulations intermédiaires, un moteur-couple électrique, un réducteur mécanique sans engrènement ainsi qu'un couplemètre situé entre le réducteur et l'organe de conduite et qui est solidaire de chacun d'eux. Une autre caractéristique du système selon l'invention est que l'organe de conduite peut être soit un manche de pilotage, soit un volant de char, grâce à une même pièce de jonction, située entre l'organe de conduite et le réducteur et montée dans chacun des cas de manières différentes. Une autre caractéristique du système selon l'invention est de comprendre de plus, un accéléromètre utilisé comme capteur de position angulaire. D'autres caractéristiques du système selon l'invention apparat- tront dans la description, d'un exemple de réalisation, qui fait suite et qui est illustrée par un ensemble de figures dans lequel - la figure 1 représente le système selon l'invention, suivant un premier montage, associé à un organe de conduite constitué par un manche de pilotage pour la simulation d'une commande principale de vol, et sans ses circuits d'asservissement; - la figure 2 représente le système selon l'invention, suivant un second montage, associé à un organe de conduite constitué par un volant pour la conduite simulée d'un char de combat, et sans ses circuits d'asservissement; - la figure 3 représente le système selon l'invention suivant le second montage, vu axialement du côté du volant;; - la figure 4 représente les circuits électroniques d'asservissement du système selon l'invention. Le système de restitution d'effort selon l'invention comprend principalement (figure 1): un moteur-couple électrique 114, un réducteur 104 sans engrènement, du type à cames et galets, un couplemètre 130, une pièce de jonction 144 et un capteur de position angulaire 148. Le moteur-couple est représenté en coupe sur la figure 1. C'est un appareil du commerce qui comprend un stator 115 et un rotor 119. Le stator, formé par une bague aimantée 116 et un portebalais 118, est fixé par des boulons 113 à un porte-stator 112 luimême fixé au réducteur par des boulons 111. Le rotor est formé par un bobinage et un collecteur sur lequel frottent les balais du stator. Il est emmanché et collé sur un porte-rotor 120. Celui-ci est calé au moyen d'une clavette 125, sur l'arbre d'entrée 109 du réducteur et maintenu sur cet arbre au moyen d'une rondelle d'arrêt 122 et d'une vis 124. Le stator est alimenté par un signal S3 fourni par les circuits d'asservissement. Le moteur-couple doit avoir, par exemple, un couple nominal de 0,5 daN x m environ pour un courant d'alimentation de 6A sous 24 volts. 11 est protégé par un capot 128 fixé par des vis au porte-stator. Le réducteur 104 est un appareil du commerce du type sans engrènement, à cames et galets. Il présente les avantages, par rapport à un réducteur classique à engrenages, d'être silencieux et de ne pas produire de granulations dans l'effort qu'il transmet à l'organe de conduite. De plus, étant situé en amont du couplemètre, il permet de simuler de manière plus fidèle et au moyen de circuits d'asservissement et d'un calculateur, les forces relatives au frot tex en des véritables commandes. Le rapport entre les nombres de tours de l'arbre d'entrée 109 et de l'arbre de sortie 105, doit par exemple, être compris suivant Papplication, entre 15 et 45 environ. Le réducteur est rendu solidaire du bâti de l'entraîneur par l'intermédiaire d'un support de forme appropriée, non représenté, et fixé à ce dernier au moyen de goujons 107 disposés circulairement et qui supportent ainsi l'ensemble du système de restitution d'effort. Le couple3 moteur ou résistant, disponible sur l'arbre de sortie 105, est transmis à l'organe de conduite par l'intermédiaire d'un couplemètre 130 et de la pièce de jonction 144. Le couplemètre 130 est principalement constitué, mécaniquement, par une pièce usinée, par exemple en acier, comportant un corps sensiblement cylindrique et creux 132 comportant à ses extrémités deux brides circulaires 135 et 131 de fixation, et constitué électriquement par un pont de jauges d'extensométrie, non représenté, et par un connecteur électrique 134 permettant l'alimentation du pont par une liaison S4 et la sortie du signal S1 de mesure du couple, vers les circuits d'asservissement. La structure exacte du corps 132 ainsi que la façon de rendre les jauges solidaires de celui-ci et de ses déformations sous l'effet du couple transmis, relèvent de techniques classiques. La pièce de jonction est usinée, par exemple en acier. Elle est constituée par un manchon 142 et par une collerette 143. Les diamètres intérieur et extérieur du manchon sont déterminés, pour que celui-ci puisse glisser à frottement doux, sur l'arbre de sortie du réducteur, et avoir du jeu dans l'alésage du couplemètre. Le couplemètre est fixé, par sa bride 135, à la collerette 143 au moyen de vis 146. La pièce de jonction est fixée à l'arbre de sortie de deux manières possibles suivant l'organe de conduite utilisé. Suivant le premier montage (figure 1) correspondant à l'association du système de restitution d'effort à un manche de pilotage 100, la pièce de jonction est enfilée sur l'arbre 105 par l'extrémité opposée à la collerette 143. Elle est calée en rotation sur l'arbre 105 par une clavette 140 et maintenue sur celle-ci en butée contre un épaulement 106, par une bague d'arrêt 137 et une vis 138. Le manche est rendu solidaire de sa bride 131 par l'intermédiaire d'un pied de manche 99 et par des vis 101. L'extrémité, non représentée, du pied de manche permettant la fixation, est semi-circulaire et entoure partiellement de part et d'autre le corps du couplemètre 132. Suivant le second montage (figures 2 et 3) correspondant à l'association du système de restitution d'effort selon l'invention, à un volant 200 pour la conduite d'un char, la pièce de jonction 144 est retournée par rapport à sa position dans le premier montage et placée sur l'arbre du réducteur de façon que sa collerette 143 soit voisine du corps du réducteur. Elle est calée sur l'arbre par la clavette 140 et maintenue sur celui-ci en butée contre l'épaulement 106 par la bague d'arrêt 137 et la vis 138. Le couplemètre est fixé à la collerette 143 comme dans le premier montage. Le volant est fixé à la bride 131 par des vis 206. Un accéléromètre 148 du commerce (figure 1) est utilisé avantageusement comme capteur de position angulaire. II est rendu solidaire de la rotation du manche en étant fixé à la bride 135 du couplemètre au moyen de deux vis 150. I1 fournit un signal S2 dont l'amplitude est proportionnelle à la grandeur g. sin A, g étant l'accélération de la pesanteur et A l'angle de l'axe sensible du couplemètre avec la verticale. Puisque l'angle maximum de rotation du manche est inférieur à 30b, la grandeur fournie aux circuits d'asservissement par le signal S2, est pratiquement proportionnelle à l'angle A. L'accéléromètre est amorti intérieurement par de l'huile, de telle façon que sa bande passante soit inférieure à 40 Hz environ. Il ne génère pas de bruit électrique et ne nécessite pas de calage mécanique. Si le système de restitution d'effort doit être utilisé sur une cabine mobile de simulateur, l'accéléromètre doit être remplacé dans sa fonction de capteur angulaire par un potentiomètre rotatif placé du côté du moteur-couple, son rotor étant couplé avec l'arbre 109 du réducteur. Les circuits d'asservissement classiques du système de restitution d'effort sont représentés sur la figure 4. Ils reçoivent le signal S1 qui transmet la valeur Cm du couple mesuré par le couplemètre et le signal S2 qui transmet la valeur A de l'angle déterminant la position angulaire de l'organe de conduite. lls fournissent le signal S3 qui alimente le moteur-couple. Ils reçoivent de plus, d'un calculateur non représenté, ou éventuellement de commandes manuelles, les signaux S5, S6, 57, S8 et S9 qui transmettent respectivement la valeur Ao de l'angle de calage de l'organe de conduite, la valeur absolue du couple de frottement statique Cs, le coeffident k de raideur élastique, le coefficient Cd de frottement dynamique et l'inertie 5 de la commande réelle. Les signaux S1 et 52 sont traités par des amplificateurs Al et A2 respectivement. Al est directement relié à un additionneurinverseur AD2. La sortie de A2 est reliée à un dérivateur D et à un autre additionneur AD 1 qui reçoit S5. La sortie de D est reliée par un amplificateur-limiteur L à AD2, L recevant par ailleurs S6. La sortie de AD 1 est reliée à une entrée d'un multiplieur M 1, dont l'autre entrée reçoit S7. La sortie de M1 est reliée à AD2. La sortie de AD2 est reliée à un intégrateur I qui reçoit par ailleurs S9. La sortie de I (signal A') est reliée d'une part à un amplificateur A3, à la sortie duquel on recueille S3, et d'autre part à une entrée d'un second multiplieur N12, qui reçoit sur une autre entrée le signal 58. La sortie de M2 est reliée à AD2. Le fonctionnement de ces circuits satisfait à une équation analogue à celle du mouvement de rotation de la commande réelle. Ainsi, la grandeur JA" transmise par le signal issu de l'additionneur AD2 peut être déterminée par l'équation simplifiée: 5A" = -(Cd.A' + k(A-Ao) + Cm + Cs) A' et A" étant les dérivés première et seconde de la valeur de l'angle A. Le circuit D dérivateur fournit la vitesse de rotation mesurée A'm. Le circuit L amplificateur et limiteur fournit un signal d'amplitude égale à Cs et de sens correspondant au signal de la vitesse A'm. Le couple élastique k (A - Ao) est fourni par l'addi- tionneur AD 1 suivi du multiplieur M1. L'intégrateur I, de constante J fournit un signal d'amplitude proportionnelle à la vitesse A'. Le multiplieur M2 fournit la valeur Cd.A' du couple de frottement REVENDlCATlONS 1. Système de restitution d'effort à moteur-couple électrique, en particulier pour la simulation des commandes de pilotage ou de conduite de véhicules, caractérisé par le fait qu'il comprend, en ligne et sans articulations intermédiaires, un moteur-couple électrique (114); un réducteur mécanique (104), et un couplemètre (130) situé entre le réducteur et l'organe de conduite (100, 200), et qui est solidaire de chacun d'eux. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le réducteur mécanique est du type sans engrènement, à came et galets. 3. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le couplemètre est principalement constitué, mécaniquement, par une pièce usinée comportant un corps sensiblement cylindrique et creux (132) ayant à ses extrémités deux brides circulaires (135, 131) de fixation, et électriquement par un pont de jauges d'extensométrie. 4. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'organe de conduite peut être soit un manche de pilotage (100), soit un volant de char (200) grâce à une même pièce de jonction (144), située entre l'organe de conduite et le réducteur, et montée dans chacun des cas de manières différentes. 5. Système selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la pièce de jonction est en forme de manchon (142) se terminant par une collerette (143), ce manchon ayant des diamètres intérieur et extérieur tels quEl glisse à frottement doux sur l'arbre de sortie (105) du réducteur, et qu'il ait du jeu dans l'alésage du couplemètre, le manchon étant enfilé sur l'arbre de sortie par l'extrémité comportant la collerette, ou par celle ne la comportant pas, selon la nature de l'organe de commande. 6. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un accéléromètre (148) utilisé comme capteur de position angulaire. 7. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, utilisé sur une cabine mobile de simulateur, caractérisé par le fait qu'il comporte, en tant que capteur de position angulaire, un potentiomètre rotatif placé du côté du moteur-couple, son rotor étant couplé avec l'arbre (109) du réducteur. 8. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le moteur-couple a un couple nominal de 0,5 daN x m environ pour un courant d'alimentation de 6 A sous 24 v. 9. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le rapport du réducteur est compris entre 15 et 45 environ. 10. Système selon l'une quelconque des revendications 6 ou 8 à 9, caractérisé par le fait que l'accéléromètre est amorti intérieurement par de l'huile, de telle façon que sa bande passante soit inférieure à 40 Hz environ.