Brevet FR2680897A1 — publié le 19930305

La présente invention à trait d'une façon générale aux systèmes de gestion et de surveillance des déplacements d'un ensemble de mobiles pour l'évitement de collisions par exemple la gestion et la surveillance du trafic ferroviaire, du trafic routier, du trafic maritime, du trafic aérien, et en particulier un dispositif d'assistance à la conduite des engins de manutention tels que les grues dans un environnement où il existe au moins un obstacle limitant les déplacements du crochet de la grue, cette obstacle étant typiquement des constructions fixes ou des zones interdites ou encore d'autres grues situées au voisinage de la première. On connait ainsi dans la technique antérieure une installation d'assistance à la conduite pour au moins un engin de manutention tel qu'une grue comportant une flèche mobile angulairement autour d'un mât et un chariot mobile linéairement le long de la flèche et auquel un crochet est suspendu par un câble, du type comprenant des moyens pour mesurer la position angulaire de la flèche de la grue, des moyens pour mesurer la position linéaire du chariot sur la flèche, une mémoire contenant des données représentatives d'au moins une zone dangereuse de l'aire de giration de la flèche, dans laquelle il existe un risque de collision du crochet ou du câble avec un obstacle extérieur, des moyens de traitement comparant les valeurs de position détectées avec les valeurs mémorisées et commandant des moyens de signalisation situés dans la cabine du grutier si le crochet est situé ou non dans une zone dangereuse, ainsi que des moyens de ralentissement et de freinage. D'autre type de ces installations sont caractérisés en ce que les zones dangereuses sont définies aussi par les zones d'interférence entres les flèches des différentes grues deux à deux et que lorsque les deux flèches circulent dans la zone d'interférence dans des sens de giration opposés, les moyens de traitement établissent l'écart angulaire entre les flèches et commandent les moyens pour réduire le couple de celle des deux flèches qui poursuit l'autre dès que le dit écart angulaire est inférieur à une valeur minimum prédéterminée. D'autres systèmes de ce type établissent plutôt la distance entre les deux flèches. En particulier les brevets FR-A-2 185 580, FR-A-2 427 289, FR-A-2 458 504, FR-A-2 494 245, FR-A-2 517 659 et FR-A-2 638 440 enseignent des installations de ce type. Cependant, dans toutes ces installations connues, la gestion de l'anticollision se fait par un procédé de sélection de zones dangereuses fixes où il existe un risque de collision. II en résulte qu'en se basant sur les vitesses maximales pour définir les protections, ce critère pénalise les déplacements à vitesses réduites. En particulier, deux mobiles, aussi lentement qu'ils se déplacent ne pourront jamais se rapprocher en deça de la distance permise par leur zone de sécurité respective, calculée comme si elles évoluaient à vitesse maximale. II est évident que ce procédé de délimitation de zone de sécurité pénalise le déplacement des mobiles évoluant à vitesse lente, et ne permet donc pas un suivi optimal du déplacement des mobiles. De plus ces installations comprennent des moyens pour limiter la vitesse de giration de la flèche dans un sens rapprochant cette dernière de l'obstacle par un dispositif de limitation du couple moteur d'entraînement à une valeur maximale prédéfinie. II en résulte que cette valeur maximale du couple ne pourra garantir le non dépassement de la vitesse de consigne que si elle est définie pour la pire des situations, c'est à dire lorsque le couple résistant total atteind un minimum et la somme des couples moteurs extérieurs un maximum. Inversement un mobile ayant un couple résistant important ou un couple extérieur faible sera pénalisé par ce dispositif puisqu'il ne pourra pas approcher sa vitesse limite. De plus, dans ces installations il est simplement indiqué au conducteur par un dispositif synoptique d'assistance à la conduite composé d'un ensemble de sources lumineuses, sa position par rapport à des repères fixes ou des zones fixes. II en résulte que les seules informations de sources lumineuses ne donnent pas au conducteur suffisamment d'information pour une conduite efficace de son mobile. Notamment le conducteur ne connait pas la position des mobiles avec lesquels il y a un risque important de collision. II est donc évident qu'il ne peut pas adopter une stratégie d'évitement de collision. De plus dans ces installations, un dispositif d'avertissement par alarme sonore indique seulement au conducteur l'enfreint des consignes de sécurité. II en résulte que le conducteur ne sait pas de quelle règle de sécurité il s'agit. Notamment il ne sait pas lequel de ses degrés de liberté est limité par le non respect des consignes de sécurité. La présente invention consiste à pallier ces limitations de la technique antérieure et à proposer, pour un nombre quelconque de mobiles et d'obstacles, un dispositif permettant une gestion dynamique et optimale de l'évitement des collisions à l'aide d'un asservissement complet du ralentissement des mobiles tout en fournissant aux conducteurs, dans le cas où le mobile n'est pas autonome, de façon claire et facilement assimilable, des informations graphiques, vocales et lumineuses adaptées à une conduite aussi efficace que possible. Le dispositif, embarqué sur chaque mobile, comprend un module de communication qui reçoit en permanence toutes les données capteurs des autres mobiles, de préférence de capteurs de positions, de vitesses et d'inerties, ainsi que les données capteurs de leur environnement notamment la vitesse et le sens du vent. Ces données définissent formellement et de façon absolue et continue la géométrie et la dynamique du système. Ces données sont transférées au module de gestion dynamique d'interférences constitué d'un calculateur principal qui dispose dans sa mémoire d'un modèle géométrique et dynamique des mobiles et de l'environnement. Il dispose en outre d'un logiciel qui, à partir des informations contenues dans sa mémoire ainsi que des données capteurs reçues, estime par un critère quadratique optimal le risque de collision de son mobile hôte et lui renvoie les informations suivantes - Les seuils maximums des vitesses de chacun de ses degrés de liberté, vitesses limites de l'évitement de collision ; au dessus de l'une de ces vitesses il est impossible pour le mobile d'éviter une collision, tandis que le système garantit l'impossibilité de collision en maintenant le mobile au dessous de cette vitesse limite. - Les données de capteurs de positions et de vitesses des mobiles avec lesquels il y.a un risque important de collision. Ces informations sont réparties d'une part vers un boîtier de contrôle de vitesses pour les consignes de vitesses de seuil, d'autre part vers un boîtier de visualisation pour les données de capteurs d'environnement des autres mobiles et des obstacles. Le module de communication permet aussi de transférer aux autres mobiles les données capteurs de son hôte. Le module de contrôle de vitesses est constitué d'un calculateur qui reçoit les vitesses de seuil et les vitesses réelles du mobile, et décide, si une des vitesses est supérieure à son seuil, de déclencher un processus d'asservissement complet automatisé et optimal du degré de liberté correspondant vers une consigne de ralentissement puis d'arrêt en tenant compte automatiquement des paramètres de perturbation du mobile tel que le vent. Lors d'un dépassement d'une vitesse de seuil, le module de contrôle de vitesses analyse les causes du dépassement et transmet des consignes aux boîtiers de signalisation vocale et de signalisation lumineuse, constitué respectivement d'un module de synthèse vocale programmable, muni d'un haut-parleur, et d'un avertisseur lumineux, qui déclenche un signal vocal et lumineux expliquant de façon audible et efficace les causes du dépassement du seuil. Le module de visualisation est constitué d'un écran graphique et d'un calculateur qui dispose dans sa mémoire d'une base de données graphiques définissant les différents types de mobiles ou d'obstacles suceptibles d'entrer en collision avec son mobile hôte. Le calculateur dispose en outre d'un logiciel qui en permanence, grâce aux informations de la base de données graphiques et des données de capteurs de positions et de vitesses des mobiles les plus environnant transmises par le calculateur principal, représente graphiquement sur un écran et ceci relativement à la position de son hôte, I'évolution de ces mobiles. D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante d'une forme de réalisation préférée de celle-ci, donnée à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés. La figure 1 représente de façon générale un ensemble de mobiles, notamment des voitures (4000, 5000), un train (6000) et des engins de manutention (1000, 2000, 3000). De plus la figure 1 représente un cas générale d'application dont le dispositif est constitué, pour un ensemble de mobiles, par un module de communication (1110, 2110, 3110, 4110, 5110, 6110), un module de gestion dynamique d'interférences (1120, 2120, 3120, 4120, 5120, 6120), un module de contrôle de vitesses (1130, 2130, 3130, 4130, 5130, 6130), un module de visualisation de l'environnement de risque (1150, 2150, 3150, 4150, 5150, 6150), un module de signalisation vocale (1160, 2160, 3160, 4160, 5160, 6160), et un module de signalisation lumineuse (1170, 2170, 3170, 4170, 5170, 6170). Les figures 2, 3, 4, 5 et 6 représentent un cas particulier d'application dont le dispositif est constitué, pour un ensemble de grues (100, 200, 300, 400), par un module de communication (110, 210, 310, 410), un module de gestion dynamique d'interférences (120, 220, 320, 420), un module de contrôle de vitesses (130, 230, 330, 430), un module de visualisation de l'environnement de risque (150, 250, 350, 450), un module de signalisation vocale et sonore (160, 260, 360, 460) et un module de signalisation lumineuse (170, 270, 370, 470). En référence tout d'abords à la figure 2, on y a représenté un ensemble de quatre grues, respectivement (100, 200, 300, 400) comprenant chacune un module de communication, particulièrement par ondes hertziennes, respectivement (110, 210, 310, 410), un module de gestion dynamique d'interférences, respectivement (120, 220, 320, 420), un module de contrôle de vitesses, respectivement (130, 230, 330, 430), un ensemble de capteurs respectivement (190, 290, 390, 490), un module de visualisation graphique, respectivement (150, 250, 350, 450), un module de signalisation vocale, respectivement (160, 260, 360, 460). En référence à la figure 3, on y a représenté plus en détail les grues (100) et (200). Ces grues comportent respectivement, de façon classique et schématisée, un fût ou mât (103, 203), une flèche (101, 201), pouvant effectuer un mouvement de giration autour du mât grâce au moteur d'orientation (181, 281), ainsi qu'une contre-flèche (102, 202) équipée d'un contre-poids. En outre, chaque grue comporte un chariot, respectivement (104, 204),apte à se déplacer linéairement le long de sa flèche grâce à un moteur de distribution, (182, 282) et pourvu d'un crochet respectivement (105, 205), apte à monter et à descendre à l'aide d'un câble non représenté, grâce à un moteur de levage (183, 283). De plus, la grue (200) comporte un moyen de translation (207) qui lui permet de se déplacer le long d'un rail. Chaque grue dispose d'une -cabine pour le grutier, respectivement (106, 206). Le système de gestion d'interférences relatif à la présente invention comporte, pour chaque grue, un module de communication (110, 210) qui permet de transférer aux autres grues les données capteurs de son hôte, et reçoit aussi en permanence toutes les données capteurs des autres mobiles et les transfert au module de gestion dynamique d'interférences (120, 220). Le module de gestion dynamique d'interférences (120, 220) dispose d'une mémoire (121, 221) contenant un modèle géométrique et dynamique des mobiles et de l'environnement. Le module de gestion dynamique d'interférences dispose en outre d'un calculateur (122, 222) et d'un logiciel (123, 223) qui, à partir des informations contenues dans sa mémoire ainsi que des données capteurs reçues, estime par un critère quadratique optimal le risque de collision. Les informations géométriques sont mesurées à l'aide des capteurs de position et de vitesse respectivement (191, 291) pour la giration de la flèche, (192, 292) pour le déplacement du chariot, (193, 293) pour le levage du crochet, (294) pour la translation de la grue (200) et (195) pour la vitesse et la direction du vent. Chaque grue comprend un module de contrôle de vitesse respectivement (130, 230) et un module de visualisation de ltenvironnement (150, 250) constitué d'un calculateur graphique (151, 251) et d'un écran graphique (152, 252 ) situé dans la cabine du grutier (106, 206). Le calculateur graphique comporte une base de données graphiques (153, 253) et un logiciel (154, 254). Chaque grue comprend aussi un module de signalisation sonore, respectivement (160, 260), qui est constitué par un module de synthèse vocale programmable, respectivement (161, 261), et d'un haut-parleur, respectivement (162, 262). De plus chaque grue dispose d'un module de signalisation lumineuse, respectivement (170, 270). En référence à la figure 4, on y a représenté le module de contrôle de vitesse constitué d'un calculateur (C), d'un régulateur (R), de quatre interrupteurs (11), (12), (13) et (14). Le calculateur (C) reçoit les consignes de vitesses de seuil (Vs) et les compare aux vitesses réelles (V) de la grue - Si une des vitesses de la grue est inférieure à sa consigne (Vs), le calculateur (C) maintient l'ouverture de l'interrupteur (11) correspondant à ce degré de liberté ; le grutier dispose du plein pouvoir de la commande relative à ce degré de liberté. - Si une des vitesses de la grue est supérieure à sa consigne (Vs), le calculateur (C) commande la fermeture de l'interrupteur (11) correspondant à ce degré de liberté; le grutier perd alors le contrôle de ce degré de liberté car le système automatique se met en marche pour asservir le mouvement du dit degré de liberté à une consigne de ralentissement maximun, grâce au régulateur (R), suivie d'une consigne de freinage par la commande de la fermeture de l'interrupteur (12). Le calculateur (C) analyse la cause du dépassement de seuil et commande les ouvertures des interrupteurs (13) et (14) qui déclenche respectivement le signal vocal et les signaux lumineux appropriés. En référence aux figures 5 à 8, on y a représenté une séquence de vues qui représente les écrans de visualisation dans le cas d'un risque de collision entre la grue (100) et un obstacle fixe (OBS). En référence aux figures 9 à 12, on y a représenté une séquence de vues qui représentent les écrans de visualisation des grues (100) et (200) dans le cas d'un risque de collision entre les dites grues. REVENDICATIONS 1- Dispositif de gestion dynamique et optimale de l'évitement des collisions pour un nombre quelconque de mobiles et d'obstacles, à l'aide d'un asservisement complet des vitesses et du freinage des mobiles caractérisé en ce qu'il comporte un boîtier autonome embarqué sur chaque mobile. 2- Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le boîtier autonome embarqué sur chaque mobile est constitué d'un module de communication (110, 210, 310, 410, 1110, 2110, 3110, 4110, 5110, 6110) ; d'un module de gestion dynamique d'interférences (120, 220, 320, 420, 1120, 2120, 3120, 4120, 5120, 6120) ; d'un module de contrôle optimal de vitesse (130, 230, 330, 430, 1130, 2130, 3130, 4130, 5130,6130) ; d'un module de visualisation de l'environnement de risque (150, 250, 350, 450, 1150, 2150, 3150, 4150, 5150, 6150) ; d'un module de synthèse vocale et sonore (160, 260, 360, 460, 1160, 2160, 3160, 4160, 5160, 6160) et d'un module de signalisation lumineuse (170, 270, 370, 470, 1170, 2170, 3170, 4170, 5170, 6170). Le module de communication gère les échanges de données capteurs entre le mobile hôte et les autres mobiles 3- Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que le module de gestion dynamique d'interférences (120, 220, 320, 420, 1120, 2120, 3120, 4120, 5120, 6120) est constitué d'une mémoire (121, 221) contenant un modèle géométrique et dynamique des mobiles et de l'environnement, d'un calculateur (122, 222) et d'un logiciel (123, 223) qui, à partir des informations contenues dans la mémoire ainsi que des données capteurs reçues, estime par un critère quadratique optimal le risque de collision et renvoie d'une part au module de contrôle de vitesses les consignes de vitesses de seuil du mobile, d'autre part au module de visualisation de l'environnement de risque les données de position et de vitesse des mobiles ou obstacles avec lesquels il y a un risque important de collision. 4- Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que le module de contrôle optimal de vitesse (130, 230, 330, 430, 1130, 2130, 3130, 4130, 5130, 6130) est constitué d'un calculateur (C), d'un régulateur de vitesse (R) et quatre interrupteurs (11, 12, 13, 14). Le calculateur (C)reçoit les consignes de vitesses de seuil (Vs) et les compare aux vitesses réelles (V) du mobile - Si une des vitesses du mobile est inférieure à sa consigne (Vs), le calculateur (C) maintient l'ouverture de l'interrupteur (11) correspondant à ce degré de liberté ; le conducteur dispose du plein pouvoir de la commande relative à ce degré de liberté. - Si une des vitesses du mobile est supérieure à sa consigne (Vs), le calculateur (C) commande la fermeture de l'interrupteur (11) correspondant à ce degré de liberté ; le conducteur perd alors le contrôle de ce degré de liberté car le système automatique se met en marche pour asservir le mouvement du dit degré de liberté à une consigne de ralentissement maximun, grâce au régulateur (R), suivie d'une consigne de freinage par la commande de la fermeture de l'interrupteur (12). Le calculateur (C) analyse la cause du dépassement de seuil et commande les ouvertures des interrupteurs (13) et (14) qui déclenche respectivement le signal vocal et les signaux lumineux appropriés. 5- Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que le module de visualisation de l'environnement de risque (150, 250, 350, 450, 1150, 2150, 3150, 4150, 5150, 6150) est constitué d'un module de calcul graphique (151, 251) et d'un écran (152, 252). 6- Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que le module de calcul graphique (151, 251) comporte une mémoire (153, 253) contenant un modèle graphique des différents mobiles et de l'environnement, un logiciel (154, 254) et un calculateur graphique (155, 255). 7- Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que le module de synthèse vocale et sonore (160, 260, 360, 460, 1160, 2160, 3160, 4160, 5160, 6160) comporte un synthétiseur (161, 261) et un hautparleur (162, 262). 8- Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que les différents modules de gestion dynamique d'interférences de tous les mobiles peuvent être centralisés dans un boîtier unique qui récupère toutes les données capteurs des différents mobiles et estime le risque de collision de chacun d'eux. 9- Dispositif selon la revendication 8 caractérisé en ce que le boîtier centralisé unique peut se trouver en lieu fixe ou embarqué sur un mobile.