Brevet FR2705306A1 — publié le 19941125

i La présente invention concerne un dispositif pour diriger, grâce à la gravité, un engin autonome parcourant un espace en déclivité. L'engin peut être particulièrement destiné au nettoyage des plages. Le dispositif selon l'invention permet d'assigner à l'appareil un parcours défini et de réaliser un balayage systématique de l'espace à traiter. L'autonomie, dispensant de rechercher la vitesse d'exécution, permet d'effectuer la tâche lentement, donc sans danger et sans bruit, par exemple en opérant pendant la durée de la nuit. Dans ce cas, l'énergie qui conviendrait le mieux serait l'énergie solaire, captée le jour et stockée. L'ENGIN EST PILOTE COMME UN CHAR: le système de guidage comporte un ensemble de commutateurs et d'interrupteurs commandant deux moteurs électriques à mouvement réversible. Chacun des deux moteurs entraîne respectivement et indépendamment au moins une roue ou chenille, De chaque côté de l'engin. Celui-ci est donc piloté à la manière des engins à chenilles. LE PILOTAGE DE L'ENGIN CONSISTE A UTILISER LE PROFIL CARACTÉRISTIQUE DES PLAGES, ou d'un espace présentant les mêmes caractères, c'est-à-dire, transversalement, une pente douce, bornée côté mer, par l'eau et une accentuation de la descente,et côté terre, par une accentuation de la montée (dune ou talus de "fond de plage"). PRESENTATION SOMMAIRE DU PARCOURS ET DES FONCTIONS DES ORGANES DE COMMANDE: l'engin parcourt la plage transversalement et se dirige alternativement vers la mer puis vers la terre, en suivant la ligne de plus grande pente, ceci grâce à deux interrupteurs identiques dénommés "interrupteurs à dévers" qui agissent par gravité quand l'appareil présente un dévers, et qui, dans ce cas, interrompent l'un des moteurs d'entraînement. LES DEMI-TOURS effectués en fin de montée ou de descente sont commandés par un commutateur multifonction dénommé "commutateur à tangage" agissant par gravité quand l'engin abordant l'une des pentes terminales, acquiert une inclinaison longitudinale suffisante. Ce commutateur commande également les inversions du fonctionnement des interrupteurs à dévers, inversions requises pour diriger l'engin soit vers le haut, soit vers le bas. Les demi-tours consistent en une marche arrière de l'une des deux chenilles, l'autre étant à l'arrêt, ce qui permet de juxtaposer les trajets successifs afin de couvrir l'espace. En fin de zone à traiter, cette juxtaposition doit changer de sens. Cette inversion est réalisée par un permutateur dénommé "permutateur à réarmement", actionné par le contact ou la proximité d'un dispositif fixe extérieur à l'engin. LE PROBLEME DES OBSTACLES peut être résolu par deux commutateurs à retour retardé dénommés "interrupteurs de contact" dont l'un ou l'autre est actionné par contact direct avec l'obstacle à l'avant droit ou à l'avant gauche de l'appareil (solution permise par la lenteur du déplacement). Si l'appareil fonctionne de nuit, une cellule photo-sensible commande sa mise en route et, conjointement avec le commutateur à tangage, son arrêt en fin de montée. DESCRIPTION ET FONCTIONNEMENT DES INTERRUPTEURS A DEVERS: ces deux interrupteurs identiques et symétriques commandent chacun l'arrêt de l'une des deux chenilles. Chacun d'eux peut être constitué d'un tube en verre, obturé, dans lequel peut voyager une "bille" de mercure. Les deux bornes à mettre en contact sont à une extrémité du tube. Le métal convenant le mieux pour réaliser ces bornes semble être le tungstène. La figure 2 présente schématiquement ces deux interrupteurs et leur branchement simplifié aux moteurs et à la batterie. Les deux tubes sont rectilignes, disposés transversalement sur l'appareil, en sens inverse l'un de l'autre. Une vis de réglage permet de leur donner une légère inclinaison, telle que les deux circuits soient fermés par le mercure lorsque l'engin ne présente pas de dévers, et que l'un des deux soit ouvert dès que l'appareil présente une inclinaison transversale. Le branchement de ces interrupteurs aux moteurs peut être inversé par l'élément Z du commutateur à tangage décrit plus loin, de façon à obtenir soit une phase de montée, soit une phase de descente. En phase de montée, ces interrupteurs arrêtent la chenille la plus haute quand l'engin présente un dévers. Le virage qui en résulte ramène la trajectoire vers la ligne de plus grande pente. En phase de descente, c'est la chenille la plus basse qui sera arrêtée pour corriger la trajectoire. FONCTIONS DU COMMUTATEUR A TANGAGE: ce commutateur n'agit au cours du déplacement qu'au passage d'une pente faible à une pente suffisamment forte, et inversement. Rappelons que le profil classique d'une plage est conforme à à la figure 1. Les fonctions à remplir par ce commutateur, conjointement avec les autres organes de commande, sont les suivantes: a - commander la phase de montée ou de descente, conjointement avec les interrupteurs à dévers, b indépendamment de ces phases, commander la marche avant ou la marche arrière, c - arrêter momentanément l'un des deux moteurs en même temps qu'est commandée la marche arrière, d - commander l'arrêt complet, possible conjointement avec l'interrupteur photo-sensible. L'enchainement de ces opérations et leur effet sur le parcours de l'engin sont indiqués dans le tableau qui suit page 4, complété par la figure 3 qui représente la trajectoire correspondante vue en plan et o les zones de pente terminale sont hachurées. 4 2705306 COMMANDES EFFECTUEES PAR LE COMMUTATEUR A TANGAGE trajectoire représentée en figure 3. Les carecactèes gras, dans le texte de ce commentaire, correspondent aux Z commandes effectuées par le commutateur I w QK MOUVEMENTS DE L'ENGIN les numéros -- - correspondent aux 8 tronçons de la trajectoire représentée en figure 3. Les caractères gras, dans le texte de ce commentaire, correspondent aux commandes effectuées par le commutateur et sont situées sur la même ligne que leur indication dans le tableau de droite. 1. L'engin monte en marche avant, sur la pente principale, faible. 2. Il aborde la pente terminale forte (zone hachurée sur la figure 3). Le commutateur agit et commande: marche arrière avec interruption momentanée du moteur gauche, ainsi que l'arrêt total possible. 3.I1 vire en marche arrière. Quand il retrouve l'horizontale longitudinale, transversalement à la pente, en H. l'interruption du moteur gauche n'est plus assurée par le commutateur à tangage, mais par l'un des interrupteurs à dévers, qui arrête la chenille haute, la phase montée étant maintenue. 4. Poursuite du demi-tour toujours en marche arrière et en phase montée. L'engin attaque à nouveau la pente terminale. Le commutateur commande: phase descente, marche avant, fin de possibilité d'arrêt. 5. Descente en marche avant. 6 Le commutateur agit quand l'engin s'engage sur la pente terminale et commande: marche arrière et interruption du moteur droit. 7. Demi-tour en marche arrière,moteur droit arrêté. Au point H, cette inter- ruption cesse, mais est alors assurée par l'un des interrupteurs à dévers, la phase descente étant maintenue. 8. Poursuite du demi-tour en marche arrière et toujours en phase descente. Engagement sur la pente terminale et déclenchement du commutateur. Fin du cycle et montée en marche avant. DESCRIPTION ET FONCTIONNEMENT DU COMMUTATEUR A TANGAGE 1. Elément moteur L'élément moteur est constitué de deux billes identiques et suffisamment pesantes ayant chacune son chemin de roulement formé de deux rails parallèles. Ces deux rampes, disposées côte à côte dans le sens de marche de l'engin, sont identiques mais orientées en sens inverse l'une de l'autre. Leur profil, déterminé en fonction des pentes faibles et fortes du terrain, comporte un tronçon A court et rectiligne prolongé par un tronçon B plus long. La figure 4 schématise ces deux rampes. Le tronçon A forme avec l'axe général de l'engin un angle légèrement inférieur à la plus faible des deux pentes terminales de la plage.Le tronçon B forme avec l'axe de l'engin un angle légèrement supérieur à la pente principale, faible, de la plage. Quand l'engin se trouve dans la zone de pente faible, les deux billes (S et S' sur la figure) sont au repos, au point bas de leur rampe. Quand l'engin abord l'une des pentes terminales, l'une des deux billes quitte sa position de repos et se dirige vers l'autre extrémité de sa rampe. Elle retourne ensuite à son point de départ quand l'engin retrouve une inclinaison faible. 2. Trinalerie: Quand une bille quitte sa position de repos et se dirige vers l'autre extrémité de sa rampe, elle actionne avant la fin de sa course, le commutateur à tangage par l'intermédiaire d'un système de tringlerie schématisé en figure 5. Celui-ci est constitué d'un bras oscillant articulé à sa partie supérieure en un point fixe C.Une tirette dentée lui est assujettie en D. Les deux dents de cette tirette engrènent dans un engrenage en cage d'écureuil G faisant partie du corps du commutateur. Un ressort R1 applique la tirette contre cet engrenage. Un ressort R2 peut rappeler la tirette à sa position d'origine. La poussée d'une bille sur le bras, en E, lui imprime un mouvement de rotation partielle autour du point C. Le déplacement du point D et de la tirette se traduit par une rotation de G. Quand la poussée de la bille cesse, le ressort R2 ramène la tirette à sa position d'origine. Dans ce mouvement de retour, les dents de la tirette, grâce à leur profil, franchissent les dents de G à la manière d'un cliquet, sans entraîner de rotation. Chacune des deux billes entraîne son propre système de tringlerie. Chaque bras oscillant est dissymétrique de façon à déporter sa partie inférieure pour la situer sur la trajectoire de la bille tout en permettant aux tirettes, dont les bras sont également dissymétriques, d'être situées dans l'axe général du dispositif.Cette disposition est illustrée par la figure 6 o le corps du commutateur est schématisé par un cylindre. Les deux tirettes sont disposées en opposition, l'une au dessus du corps du commutateur, l'autre en dessous. De cette façon, le corps du commutateur ne tourne que dans un sens, quelle que soit la bille qui l'actionne. Chaque tirette portant deux dents et l'engrenage G en comportant huit (constituées par des barres), la rotation obtenue, à chaque poussée d'une bille, est de un quart de tour. 3. CorDs du commutateur: Les différents éléments de cet organe sont schématisés sur la figure 7. Ils sont solidaires d'un axe, conducteur mais interrompu (ses deux parties sont isolées). Les flèches numérotées de 1 à 12 indiquent les points de contact par palier, balai ou lamelle correspondant aux dix bornes du commutateur. Les contacts 5 et 7 sont reliés à la même borne de sortie. Il en est de même pour les contacts 6 et 8. La figure 8 représente l'ensemble en perspective. Les tiges et axes sont conducteurs. Les éléments plans sont réalisés en bakélite, cuivrée pour les zones conductrices indiquées en grisé. Seules les lamelles de contact 5 et 6 sont représentées. Le disque X, en contact avec l'axe, porte un secteur non conducteur. A chaque tour complet, le contact électrique avec le balai 2 est donc interrompu. Le disque Y comporte deux secteurs conducteurs qui, associés aux balais 3 et 4, constituent un inverseur agissant à chaque quart de tour. La piste interne de ce disque est en contact avec l'axe. Le tronçon F, de section transversale carré dont trois faces seulement sont conductrices, est en contact avec la piste externe du disque Y. Deux lamelles élastiques de contact, 5 et 6, appuient sur deux faces opposées de ce tronçon. A chaque demi-tour, l'une des deux lamelles est donc hors circuit. C'est le cas sur la figure 8, pour la lamelle 5. Le tronçon G comporte huit barres conductrices formant une une cage d'écureuil actionnée par les tirettes citées précédemment. Ces huit barres sont en contact avec l'élément F. Les tirettes sont conductrices à l'exception du tronçon denté réalisé en matériau isolant (figure 9). Lorsqu'une tirette est au repos, cas de la tirette inférieure sur la figure 9, le courant passe de la cage d'écureuil G au ressort conducteur RI. Lorsqu'une tirette actionne la cage d'écureuil, le tronçon denté, isolant, interdit le passage du courant vers le ressort concerné. C'est le cas pour la tirette supérieure sur cette même figure. Quand l'inclinaison longitudinale de l'appareil diminue suffisamment, la tirette reprend sa position de repos et permet à nouveau le passage du courant de l'élément G au ressort concerné. Les éléments F et G réalisent donc, conjointement, une interruption momentanée alternativement sur les bornes et 7 d'une part, 6 et 8 d'autre part, à chaque demi-tour. Le tronçon H de section transversale carrée, isolé des éléments précédents, est en contact permanent avec la lamelle élastique 9. Ce tronçon a en outre une fonction mécanique de positionnement franc des quarts de tour. - 8 2705306 Le disque Z portant deux secteurs conducteurs associés aux balais 10 et Il constitue un inverseur agissant à chaque demi-tour. Le secteur interne de ce disque est en contact avec l'axe. Le secteur externe est en contact avec l'élément H. LE PERMUTATEUR A REARMEMENT Le rôle de cet organe est d'inverser les interruptions momentanées des moteurs qui déterminent le sens des demi- tours, donc le sens du parcours. La trajectoire décrite en pages 4 et représentée figure 3, peut ainsi être inversée quand l'engin atteint la limite de zone à traiter. Le déclenchement peut être réalisé par contact mécanique avec un dispositif fixe ou par proximité d'une borne émettrice à infra-rouge par exemple. Après avoir agi une fois, ce permutateur doit être neutralisé pendant un certain temps de façon à lui interdire d'agir une seconde fois au voisinage du même endroit, cette éventualité étant vraisemblable en raison du parcours de l'engin.Son réarmement différé lui permettra ensuite de remplir sa fonction à l'autre extrémité de la zone. La solution adoptée sur le prototype est ici sommairement décrite. Les figures 10 à 19 complètent cette description. Le déclenchement se produit au passage sous un portique, en marche avant. Figure 10: un levier élastique dépassant de l'engin vient en contact avec un portique I (le dessin ne respecte pas l'échelle relative du levier). Figure Il: le mouvement de l'appareil oblige le levier à s'incliner, ce qui actionne le permutateur. Figure 12: la poursuite du mouvement fait fléchir le levier. Figure 13: celui-ci échappe enfin à la pression du portique et sous l'effet de son élasticité, il est projeté vers l'avant. Figure 14: ce mouvement le conduit à s'effacer, en position horizontale, dans un logement de l'appareil o il reste temporairement accroché. Les figures 15 à 19 schématisent les éléments internes essentiels de ce dispositif, aux différentes étapes du fonctionnement. Figure 19: le levier est accroché en position "effacé". Un curseur J se déplace très lentement vers la droite grâce à une chaîne cynématique à forte démultiplication mue par l'un des moteurs (en marche avant). Les derniers éléments de cette chaîne, pignon et crémaillère solidaire du curseur, dont schématisés en figure 15. Figure 15: le mouvement du curseur l'amène, grâce à son talon K qui appuie sur la queue du crochet, à libérer le levier qui se dresse sous l'effet d'un ressort (non représenté). Le déplacement du curseur est limité par une butée L.Un embrayage à friction interposé dans la chaîne cynématique, permet cet arrêt. Figure 16: phase active: le levier rencontre le portique Son extrémité inférieur pousse sur le curseur qui se déplace vers la gauche. Ce mouvement, possible grâce à l'embrayage à friction cité plus haut, actionne le permutateur et libère le crochet. Figures 17 - 18 - 19: après avoir fléchi, le levier est libéré. Son élasticité le projette vers la position "effacé" o il reste accroché. Le déplacement du curseur vers la droite reprend alors, sous l'action ininterrompue de la chaîne cynématique. INTERRUPTEURS DE CONTACT 1. Fonction: l'intérêt de cette solution mécanique au problème des obstacles réside dans sa fiabilité et son faible coût (absence de capteur et de relais). Elle est possible grâce à la lenteur du déplacement de l'engin. Elle consiste à utiliser le mouvement de l'engin pour actionner par contact physique avec l'obstacle, un interrupteur-inverseur et lui communiquer une certaine course. Cet interrupteur, en revenant lentement à sa position d'origine grâce à un élément retardateur, va commander successivement une manoeuvre en deux mouvements puis la reprise de la marche normale. La manoeuvre peut consister en deux marches arrières unilatérales successives, la première affectant la chenille située du côté du contact avec l'obstacle et la seconde, la chenille opposée.Le dispositif comporte donc un inter- rupteur pour chaque chenille. La séquence de mouvement résultante permet de déplacer la trajectoire en dehors de l'obstacle, au besoin en plusieurs manoeuvres. La figure 20 représente la trajectoire correspondant à cette séquence. L'engin rencontre un obstacle v à l'avant-gauche. Après les deux marches arrières unilatérales correspondant aux tronçons 1 et 2, l'appareil peut reprendre la marche normale. 2. DescriDtion de la Dartie extérieur du disDositif: à l'avant de l'engin, deux volets symétriques couvrent chacun un moitié de l'appareil, de part et d'autre du milieu. Articulés à leur partie supérieure ils peuvent pivoter autour d'un axe horizontal, sous la pression d'un obstacle. Chaque volet peut ainsi actionner l'interrupteur qui lui correspond, soit celui de droite, soit celui de gauche.Sur la figure 20, c'est le volet gauche, repoussé, qui rencontre l'obstacle. 3. DescriDtion de l'un des deux interruDteurs:voir figure 21. Le mouvement de l'un des deux volets est transmis à une tige T, libre en translation, et actionne un élément retar- dateur M (il s'agit sur le schéma d'un retardateur à air comportant cylindre fixe, piston (W) et soupape freinant le retour). Le ressort Ni tend à ramener l'ensemble à sa position d'origine en s'appuyant d'une part sur la rondelle O, solidaire de la tige T, et d'autre part, sur le guide fixe P. La rondelle-came Q est solidaire de T. Elle sert d'appui au ressort N2. Le coulisseau U, sous la pression du ressort N2, est en contact avec le piston W fixé au bout de la tige. Ce coulisseau est libre en translation sur la tige. Sa section transversale, représentée en coupe XX, est rectangulaire. Il comporte deux faces symétriques isolées électriquement et portant des pistes conductrices, représentées en grisé, figures 25 et 26, qui transmettront le courant à des balais de contact. Un crochet maintient le coulisseau tant que la rondelle-came n'a pas provoqué le décrochage. 4. Fonctionnement:les figures 22 à 26 illustrent le fonctionnement. Figure 22: la translation de la tige comprime les deux ressorts. La rondelle-came Q n'a pas encore provoqué le décrochage du coulisseau. La piston chasse l'air du cylindre. Figure 23: pour un déplacement suffisant de la tige, la rondelle-came rencontre le bossage du crochet et provoque le décrochage du coulisseau qui, sous la poussée du ressort N2, est projeté jusqu'au contact du piston. Figure 24: la marche arrière commandée à cet instant fait cesser la poussée transmise à la tige et l'ensemble tige- coulisseau-piston revient à sa position d'origine. Ce retour se fait lentement, freiné par l'élément M dont la soupape se ferme. La figure 25 représente une face du coulisseau avec le détail de la piste conductrice, en grisé, et la position des balais de contact, en marche normale.L'alimentation arrive par le balaic. Le rupteurs complète la mise hors circuit des autres organes lorsqu'il est ouvert, comme en figure 26. Cette dernière figure représente le coulisseau et les contacts à l'instant qui suit le décrochage et o l'alimentation du Balai détermine la première marche arrière unilatérale. SCHEMA GENERAL ELECTRIQUE La figure 27 représente les connexions extérieures de l'ensemble des organes de commande aux deux moteurs. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour diriger un engin autonome parcourant un espace en déclivité présentant un profil tel que celui d'une plage classique, caractérisé en ce qu'il comporte trois organes électriques de commande interconnectés, le premier sensible aux inclinaisons transversales de l'engin, dénommé interrupteur à dévers, et destiné à diriger le déplacement en suivant la ligne de plus grande pente, le second, dénommé permutateur à tangage, réagissant aux variations suffisantes d'inclinaison longitudinale de l'engin, et destiné à commander les demi-tours tels que les trajets successifs de montée et de descente soient juxtaposés et couvrent l'espace à traiter, et le troisième, dénommé permutateur à réarmement, dont le rôle est d'inverser le sens de ces juxtapositions et réagissant au contact ou à la proximité d'un dispositif fixe aménagé sur le terrain. 2.Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les interconnexions entre les deux premiers organes de commande permettent à l'élément Z du commutateur à tangage de déterminer le sens d'action de l'interrupteur à dévers, de facon à diriger le déplacement soit vers le haut, soit vers le bas, en suivant la ligne de plus grande pente. 3. Dispositif selon la revendication 1 et la revendication 2 caractérisé en ce qu'une variation suffisante d'inclinaison longitudinale de l'appareil imprime au corps du permutateur à tangage une rotation d'un quart de tour, toujours dans le même sens, quel que soit celui du tangage, grâce à la disposition en opposition des tirettes d'entraînement ainsi que l'illustrent les figures 5, 6 et 9. 4. Dispositif selon les revendications précédentes caractérisé en ce que les éléments Y, F, H et Z du permutateur à tangage (figure 7 et 8) génèrent pendant les quatre quarts de tour un cycle de commandes consistant en montée en marche avant puis marche arrière momentanément unilatérale toujours en phase montée, puis descente en marche avant puis marche arrière momentanément unilatérale toujours en phase descente. 5. Dispositif selon les revendications 3 et 4, caractérisé en ce que l'élément F du commutateur à tangage présente une face non conductrice (figure 8). D 6. Dispositif selon les revendications 3 et 4, caractérisé en ce que les tirettes sont conductrices à l'exception de leur tronçon denté (figure 9) de façon qu'au repos, elles établissent le contact entre l'élément G et les ressorts conducteurs R1 et Rl,et qu'en dehors de cette position, l'un de ces contacts soit rompu par l'interposition du tronçon isolant de la tirette concernée, cette interruption momentanée, confirmée ou non selon la position de l'élément F, étant maintenue tant que l'inclinaison longitudinale de l'appareil n'a pas suffisamment diminué. 7. Dispositif selon les revendications 1, 2, 3 et 6, caractérisé en ce que le chemin de roulement de chaque bille présente un tronçon A formant avec l'axe général de l'engin, un angle légèrement inférieur à la plus faible des pentes terminales du terrain, et un tronçon B formant avec l'axe de l'engin, un angle légèrement supérieur à la pente principale faible, du terrain (figure 4). 8. Dispositif selon les revendications 1 et 4 caractérisé en ce que le permutateur qui inverse les interruptions momentanées des moteurs déterminant le sens du parcours est actionné par un levier qui après avoir agi et fléchi au contact d'un portique, est projeté sous l'effet de son élasticité vers sa position "effacé" (figures 10 à 19). 9. Dispositif selon la revendication 8 caractérisé en ce que la chaîne cynématique entraînant le curseur J comporte un embrayage à friction. 10. Dispositif selon les revendications 1 et 8 caractérisé en ce que la lenteur du déplacement de l'engin, souhaitable pour la sécurité et le silence, et sans inconvénient grâce à l'autonomie, autorise, pour résoudre le problème des obstacles, une solution mécanique dans laquelle le contact de l'engin avec l'obstacle, maintenu pendant une fraction de parcours et assumé par un volet articulé, imprime à un interrupteur dit "de contact" une course suffisante pour déclencher une marche arrière, puis, pendant la course inverse, freinée par un élément retardateur, les manoeuvres désirées et enfin la reprise de la marche normale.