Brevet FR2722318A1 — publié le 19960112

Le domaine de la présente invention est celui des dispositifs permettant de simuler la conduite de véhicules terrestres. Plus précisément, la présente invention concerne un dispositif de simulation de conduite pour véhicules terrestres qui génère des mouvements aptes à reproduire les sensations résultant du comportement dynamique réel d'une cabine, en relation avec un écran de visualisation de ces mouvements installé sur la cabine de simulation. De façon connue, les dispositifs de simulation de conduite sont répartis en deux grands groupes, suivant la catégorie de véhicules à laquelle ils sont destinés. On connaît des simulateurs pour le mouvement de cabines de trains à grande vitesse, qui sont capables de reproduire trois mouvements. Ces simulateurs sont à même de reproduire l'accélération et le freinage longitudinaux d'une part, le cisaillement latéral au passage des aiguillages d'autre part, et enfin l'inclinaison sur le passage des courbes en dévers. La cabine peut se déplacer dans un premier temps longitudinalement; ce mouvement se traduit par une variation de son inclinaison, en raison de la présence de patins et de la forme en V des rails sur lesquels elle évolue. Le déplacement de la cabine est obtenu grâce à une vis sans fin qui imprime le mouvement de translation. Ce sont donc les patins, sur lesquels oscille la cabine, qui assurent la reproduction dynamique du freinage ou de l'accélération. Dans un second temps, le cisaillement latéral lors d'un aiguillage peut être simulé par le biais d'un déplacement latéral de la cabine, qui glisse sur deux rails. Enfin, la cabine peut s'incliner de quelques degrés vers la droite ou vers la gauche, grâce à un vérin électrique vertical, déporté d'un côté de la cabine par rapport à l'axe de rotation longitudinal. L'inclinaison sur le passage des courbes en dévers est ainsi simulée. Le principal inconvénient de ce type de dispositif est l'amplitude trop grande du mouvement lors d'un arrêt complet notamment; en effet, de par l'utilisation de patins, l'angle d'inclinaison de la cabine passe brutalement à zéro, ce qui nuit sensiblement à la qualité de cette simulation. Un autre inconvénient majeur de ce système est une rigidité trop importante de la structure, qui empêche la reproduction naturelle du mouvement de roulis des trains. De plus, les mouvements de lacet,dus à la forme tronconique des roues de trains, ne sont pas reproduits, ce qui affecte le réalisme de la simulation. Enfin, le moteur électrique qui actionne le vérin n'étant pas assez puissant, le mouvement latéral de la cabine manque de brutalité pour la simulation des passages sur les aiguillages. On connaît également une seconde catégorie de simulateurs destinés à l'aviation, qui sont capables de reproduire les mouvements d'une cabine de pilotage aérien par l'intermédiaire d'un système comportant divers axes de mouvement, matérialisés par l'existence d'autant de vérins servant à mettre en action la cabine. De façon traditionnelle, de tels simulateurs comportent à la base six axes de mouvement, et par conséquent les cabines de pilotage reposent sur six vérins, en l'occurrence hydrauliques. Plus précisément, ces six vérins sont appliqués par paires sur la cabine, et quel que soit le degré de complexité du mouvement envisagé, ils agissent tous ensemble pour l'obtention de ce mouvement. Le sixième vérin ne peut donc pas être utilisé indépendamment des cinq autres. Ces systèmes présentent donc un grave inconvénient lié à l'asservissement, à savoir la complexité considérable du calculateur nécessaire à la mise en action simultanée des six vérins, même dans le cas d'un simple mouvement de translation d'avant en arrière de la cabine. Un autre inconvénient majeur de ces simulateurs réside dans leur conception même; en effet, tous les efforts mécaniques portant sur les vérins, ceux-ci sont très sollicités. De plus, d'un point de vue économique, la maintenance des six vérins hydrauliques est très coûteuse. La présente invention a pour objectif de pallier ces inconvénients. Plus précisément, un premier objectif de l'invention est de fournir un dispositif permettant de simuler avec une qualité optimale la conduite d'un véhicule terrestre en générant des mouvements de translation et/ou de rotation du type pendulaire, par le biais d'un calculateur d'une complexité réduite. Un autre objectif de l'invention est de fournir un tel dispositif qui soit à même de limiter au maximum les efforts portant sur les vérins, et qui limite également le nombre de vérins. Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints grâce à un dispositif de mise en mouvement d'une cabine de simulation pour véhicules terrestres, générant des mouvements de translation et/ou de rotation du type pendulaire, caractérisé en ce qu'il comprend deux quadrilatères non déformables, l'un inférieur fixe servant de socle, l'autre supérieur supportant la cabine et étant mobile par rapport au quadrilatère inférieur par l'intermédiaire de biellettes articulées aux huit sommets des deux quadrilatères, ces biellettes étant actionnées par au moins un vérin prenant appui sur une surface fixe par rapport au quadrilatère inférieur et sur la surface délimitée par le quadrilatère supérieur. Un tel dispositif permet d'obtenir une simulation de bonne qualité et qui sollicite au minimum les vérins, de par la présence d'un trapézoïde déformable reposant sur des biellettes articulées. Préférentiellement, le nombre de vérins utilisés est au plus égal à deux. Ainsi, un dispositif selon l'invention ne peut compter qu'un seul vérin, dans l'optique d'un mouvement selon un seul axe de rotation. Selon un mode de réalisation de l'invention, les vérins agissent sur les biellettes indépendamment les uns des autres, ce qui implique une complexité réduite pour l'architecture électrique du dispositif. Préférentiellement, les vérins utilisés sont actionnés par des moteurs électriques. En effet, ces vérins électriques ne posent pratiquement pas de problème de maintenance, contrairement aux vérins hydrauliques, et ce d'autant plus qu'ils sont peu sollicités dans le dispositif selon l'invention. Selon une variante de réalisation de l'invention, les biellettes utilisées sont de longueur égale. Préférentiellement, les articulations entre les biellettes et les sommets des deux quadrilatères sont constituées par des rotules. Ainsi, on peut obtenir deux mouvement s de rotation et de translation non dissociés suivant les deux axes de rotation du trapézoïde, par l'entremise des deux vérins, qui donnent au dispositif selon l'invention son mouvement pendulaire. Dans une variante de réalisation de l'invention, les articulations entre les biellettes et les sommets des deux quadrilatères sont constituées par des pivots. Ainsi, on peut obtenir un seul mouvement selon l'un des axes du trapézoide. Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif est associé à un système de visualisation optique des mouvements de la cabine. Par exemple, il peut s'agir d'un écran placé en face de l'utilisateur, situé sur la cabine. D'autres caractéristiques de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel, donné à titre illustratif et non limitatif, et des figures annexées dans lesquelles: -La figure 1 représente un schéma simplifié de l'architecture mécanique du dispositif selon l'invention; -La figure 2 représente un schéma de profil du dispositif selon l'invention en position de repos; -La figure 3 représente un schéma de profil du dispositif selon l'invention en position de travail. Le schéma simplifié de la figure 1 comprend, d'une part des biellettes 2 actionnées par des vérins (non représentés) et articulées aux huit sommets 3 de deux quadrilatères 4a,4b et les reliant entre eux, et d'autre part la cabine de simulation (non représentée), qui repose sur le quadrilatère 4b supérieur. La loi de mouvement est donc donnée par un trapézoide 1 partiellement déformable et reposant sur le sol, dont les deux bases non déformables sont matérialisées par les surfaces des quadrilatères 4a,4b (respectivement l'embase du dispositif et le support de la cabine de simulation), trapézoide pouvant subir des combinaisons de mouvements de translation et de rotation assimilables à des mouvements de type pendulaire, la longueur de ses arêtes étant fixe; ces mouvements sont obtenus par la manoeuvre d'un ou plusieurs vérins prenant appui dans cet exemple de réalisation sur les surfaces délimitées par les deux quadrilatères 4a,4b. Ces vérins commandent donc la déformation du trapézoide 1, et leur sortie de tige détermine la position de la plate-forme supportant la cabine de simulation. La mise en mouvement de la cabine peut s'effectuer suivant un axe unique, longitudinal ou latéral (respectivement XX' ou YY'); alors un seul vérin sera nécessaire à l'actionnement des biellettes 2. En référence au comportement dynamique d'un train, notamment, divers types de sensations sont reproductibles. On peut citer d'une part l'accélération et la décélération, qui sont simulées par une mise en inclinaison avant ou arrière de la cabine par un mouvement pendulaire. La vitesse du mouvement et l'importance de cette inclinaison est fonction de l'amplitude de l'accélération ou du freinage. L'angle d'inclinaison peut varier pendant ces phases, et le retour en position horizontale est réalisé de façon lente pour le conducteur. A titre indicatif et nullement limitatif, on peut citer un module de l'ordre de 0,2g et -0,2g pour les simulations de l'accélération et du freinage, respectivement, ainsi qu'un angle d'inclinaison avoisinant 120 en valeur absolue. D'autre part, il est possible de simuler la prise d'une courbe avec inclinaison de voie, ou bien le passage sur un dévers de ballast, par l'impression d'un mouvement pendulaire latéral au trapézoïde 1, toujours par l'entremise d'un seul vérin. L'inclinaison donnée lors de la prise d'une courbe est asservie à la vitesse calculée pour le véhicule; à titre indicatif, elle peut avoisiner 150. L'angle d'inclinaison peut bien entendu être positif ou négatif, suivant les valeurs calculées de l'accélération centrifuge ou centripète, respectivement. Sa combinaison avec les effets du dévers de ballast peut déporter le conducteur soit vers l'intérieur, soit vers l'extérieur de la courbe. La mise en mouvement de la cabine peut également s'effectuer suivant deux axes orthogonaux, longitudinalement et latéralement; deux vérins sont alors nécessaires à l'actionnement des biellettes 2. Comme on peut le voir sur la figure 1, le principe exposé pour un dispositif opérant suivant un axe peut être étendu aux deux axes orthogonaux XX' et YY'. Les degrés de liberté nécessaires au niveau de la base des vérins électriques sont obtenus à l'aide de cardans ou de rotules. Les positions de plate-forme et les lois de mouvement sont déterminées par les lois de variation simultanées des longueurs des deux vérins. La combinaison de plusieurs mouvements est alors réalisée; on peut citer, à titre simplement illustratif, l'accélération (ou le freinage) en courbe avec inclinaison de voie, l'accélération (ou le freinage) lors du passage sur un dévers de ballast, etc.. Les vérins agissent sur les biellettes 2 indépendamment les uns des autres, ce qui implique une complexité réduite pour l'architecture électrique du dispositif. De plus, quelle que soit la complexité du mouvement envisagée, le nombre de vérins utilisés est au plus égal à deux. Ces vérins sont actionnés par des moteurs électriques. En effet, ces vérins électriques ne posent pratiquement pas de problème de maintenance, contrairement aux vérins hydrauliques, et ce d'autant plus qu'ils sont peu sollicités dans le dispositif selon l'invention. I1 est évident que d'autres types de sensations sont reproductibles, par exemple des secousses imprévues dues à un accident (le choc entre deux rames de trains résultant d'une erreur d'aiguillage, notamment), grâce au dispositif de mise en mouvement pendulaire suivant deux axes de la cabine selon l'invention; cette simulation de secousses intempestives constitue un bon apprentissage pour les pilotes, dans le cadre d'une formation aux risques et au comportement à adopter en de tels cas. D'autre part, les valeurs maximales (ou les plages) d'accélération et d'angle d'inclinaison de la cabine par rapport à l'horizontale peuvent être réglées au niveau du logiciel suivant le type de véhicule à simuler (train ou autre), ou bien le type de parcours à effectuer, par exemple. La figure 2 représente un schéma de profil du dispositif selon l'invention en position de repos. Comme on peut le voir sur la figure 2, le dispositif se présente au repos sous la forme d'un trapézoide 1 dont les bases sont matérialisées par les surfaces de deux quadrilatères 4a,4b ou cadres rigides, dont la longueur des côtés est fixe. Le cadre inférieur 4a est fixé au sol 5, le cadre supérieur 4b est tenu par des biellettes 2 prenant appui sur le cadre inférieur 4a. L'ensemble est animé par des vérins 6 prenant appui sur les surfaces délimitées par ces deux quadrilatères (deux vérins au plus; un seul est représenté). Ces vérins sont commandés par des moteurs électriques (non représentés). Les cadres supérieur 4b et inférieur 4a sont équipés d'interfaces de fixation permettant un montage et un démontage simples: une fixation au sol 5 pour le cadre inférieur 4a, et une fixation de la cabine de simulation 7 et du dispositif de tenue d'écran 8 sur le cadre supérieur 4b. La figure 3 représente un schéma de profil du dispositif selon l'invention en position de travail. Comme on peut le voir sur la figure 3, où est représentée la simulation d'une accélération longitudinale, le trapézoide 1 déformable donne la loi de mouvement pour la cabine de simulation 7; la cabine 7 subit ici un mouvement d'inclinaison vers l'arrière; ce mouvement suivant un axe (longitudinal) est obtenu par la manoeuvre d'un seul vérin 6 prenant appui sur les surfaces délimitées par les deux quadrilatères 4a,4b. Ce vérin 6 commande donc la déformation des biellettes 2, et sa sortie de tige détermine la position de la plate-forme supportant la cabine de simulation 7. Les articulations 9 entre les biellettes 2 et les sommets 3 des deux quadrilatères 4a,4b sont préférentiellement constituées par des rotules. Ainsi, l'on peut obtenir deux mouvements de rotation et de translation non dissociés suivant les deux axes de rotation du trapézoide 1, par l'entremise des deux vérins 6, qui donnent au dispositif selon l'invention son mouvement pendulaire. Ces articulations 9 peuvent aussi être constituées par des pivots; il est alors possible de combiner deux mouvements de rotation suivant les deux axes du trapézoide 1. Sans sortir du cadre de l'invention, on pourrait envisager un dispositif tel que les vérins 6 prennent appui sur une surface fixe par rapport à la surface du quadrilatère 4a et sur la surface délimitée par le quadrilatère 4b. A titre illustratif et non limitatif, cette surface fixe pourrait consister en une paroi verticale ou oblique, tenant lieu de potence pour supporter ces vérins 6. Comme on peut le voir sur les figures 2 et 3, la cabine 7 est classiquement associée à un dispositif de visualisation 8 des mouvements simulés, dispositif incluant un écran 10. Le dispositif de visualisation 8 peut comprendre un rétroprojecteur d'images de synthèse, l'écran et le rétroprojecteur étant solidaires de la cabine. On peut aussi envisager l'utilisation d'un vidéo projecteur. De plus, aux simulations mécaniques et visuelles peut venir se superposer une simulation sonore, la qualité de la simulation globale en étant améliorée. L'architecture électrique du dispositif selon l'invention (non représentée) est classique: elle comprend d'une part les moteurs électriques servant à commander les vérins 6 et les amplificateurs de puissance alimentant les actionneurs, et d'autre part les relais de servitudes (permettant la mise sous tension de l'installation, l'arrêt d'urgence ou l'actionnement des commandes de secours) et l'appareillage de distribution d'énergie, de raccordement avec le pupitre de commande, ainsi que les divers capteurs. Le dispositif selon la présente invention permet ainsi d'obtenir une simulation de bonne qualité et qui sollicite au minimum les vérins 6, de par la présence du trapézoide 1 déformable reposant sur des biellettes 2 articulées. Le dispositif selon la présente invention s'applique non seulement à la simulation de véhicules ferroviaires, mais encore à celle de véhicules automobiles et plus généralement à l'ensemble des véhicules terrestres. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mise en mouvement d'une cabine de simulation (7) pour véhicules terrestres, générant des mouvements de translation et/ou de rotation du type pendulaire, caractérisé en ce qu'il comprend deux quadrilatères (4a,4b) non déformables, l'un inférieur fixe (4a) servant de socle, l'autre supérieur (4b) supportant la cabine (7) et étant mobile par rapport au quadrilatère inférieur (4a) par l'intermédiaire de biellettes (2) articulées aux huit sommets (3) des deux quadrilatères (4a,4b), ces biellettes (2) étant actionnées par au moins un vérin (6) prenant appui sur une surface fixe par rapport au quadrilatère inférieur (4a) et sur la surface délimitée par le quadrilatère supérieur (4b). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre de vérins (6) utilisés est au plus égal à deux. 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les vérins (6) agissent sur les biellettes (2) indépendamment les uns des autres. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les vérins (6) sont actionnés par des moteurs électriques. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les biellettes (2) sont de longueur égale. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les articulations (9) entre les biellettes (2) et les sommets (3) des deux quadrilatères (4a,4b) sont constituées par des rotules. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les articulations (9) entre les biellettes (2) et les sommets (3) des deux quadrilatères (4a,4b) sont constituées par des pivots. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est associé à un système de visualisation optique (8) des mouvements de la cabine (7).