Brevet FR2741027A1 — publié le 19970516

"SYSTEME DETECTEUR DE POSITION POUR VEHICULES GUIDES" Tout véhicule guidé comme les véhicules ferroviaires, les éléments de transport d'une grande usine ou autres moyens de transport, est amélioré si son système de basculement, son système de contrôle de vitesse, de contrôle de marche d'un véhicule sans conducteur, etc., utilise un système détecteur de position. L'installation d'un système de basculement a pour objectif d'obtenir une diminution des durées de trajet et d'améliorer le confort des voyageurs. Le basculement confère au véhicule une inclinaison supplémentaire dans les virages, ce qui permet de négocier lesdits virages à une vitesse plus élevée. Les systèmes classiques de basculement se fondent sur la détection du virage en temps réel grâce à l'installation dans le système de capteurs dynamiques tels que des gyroscopes et des accéléromètres. Le basculement s'adapte aux signaux recueillis à chaque instant. Ce mode de fonctionnement implique pour le système une série d'inconvénients. Citons notamment: - L'action sur le véhicule est toujours en retard du fait de la nécessité de capter au préalable le virage et de distinguer celui-ci d'une perturbation ou d'une irrégularité de la voie. - Les mouvements de basculement sont brusques étant donné le besoin de récupérer le temps perdu dans la détection du virage. -2- - L'action est continuellement soumise à des corrections de consigne qui provoquent la désorientation et l'inconfort du voyageur. - Le basculement ne tient pas compte des paramètres fondamentaux du virage - rayon de courbure, dévers, longueurs des virages de transition, etc.. Ceci provoque un effet désagréable chez le voyageur étant donné que la loi d'inclinaison que suit le véhicule ne s'adapte pas à la loi optimale pour le voyageur. Le demandeur a vérifié que le problème fondamental à résoudre dans un système de basculement est lié à la méconnaissance du véhicule/conducteur de la position réelle du véhicule dans sa trajectoire. C'est dans ce but que le demandeur a mis au point un système détecteur de position fondé sur la connaissance de la position du véhicule ferroviaire sur la voie et sur la connaissance préalable du tracé correspondant au trajet réalisé. Le système selon l'invention identifie à chaque instant la vitesse linéaire de marche et la position absolue des véhicules sur un trajet connu. La méthode de calcul de la position absolue du véhicule est fondée sur la mesure de la variation de la position de celui-ci, qui est corrigée dans les virages au moyen des signaux dynamiques du véhicule qui traduisent les caractéristiques des virages parcourus. La figure 1 est un schéma fonctionnel du système selon l'invention. -3- La figure 2 est une représentation en coordonnée d'un virage d'un trajet à parcourir par le véhicule. La figure 3 est une représentation comparative entre le virage de la figure 2 et le virage réel obtenu par une réalisation pratique du système. La figure 4 est une représentation comparative entre le virage de la figure 2 et le virage réel obtenu par une autre réalisation pratique du système. Nous allons décrire à présent un exemple de réalisation pratique - non limitatif - de la présente invention. Nous n'excluons pas l'existence d'autres modes de réalisation qui introduiraient des modifications accessoires ne dénaturant pas son principe; au contraire, la présente invention s'applique également à toutes ses variantes. Nous observons sur la figure 1: - Un module de mémoire (1) qui contient l'information du trajet que le véhicule peut suivre. Ce trajet est divisé en différents tronçons, identifiés par leurs paramètres (position absolue, rayon (R) du tronçon, longueur du tronçon). - Un ensemble (2) de capteurs, deux par exemple, qui mesurent trois paramètres dynamiques: - Un capteur sensible à la circulation dans un virage (3), par exemple, un capteur de mesure de la vitesse de rotation de boucle du véhicule (vitesse angulaire du véhicule par rapport à un axe -4perpendiculaire au plan de mouvement). La vitesse de rotation de boucle du véhicule peut être obtenue indirectement à l'aide des données provenant des capteurs et basées sur la mesure des accélérations latérales, sur les déplacements latéraux des éléments de suspension, etc. Comme ces variables sont reliées entre elles d'un point de vue physique et mathématique, la disposition du capteur ou sa nature peut être variable pour autant que son application soit correcte. - Un capteur de position relative (4) pour mesurer la variation de la position du véhicule et sa vitesse absolue dans le sens de la marche. A titre d'exemple, ce capteur peut être installé sur une ou plusieurs roues du véhicule. Il peut s'agir dans ce cas d'un encodeur mesurant l'angle qu'a parcouru la roue par rapport au châssis du véhicule. Cette mesure permet d'obtenir directement la variation de la position du véhicule. La vitesse absolue dans le sens de la marche est obtenue en faisant passer le signal à travers un convertisseur fréquence-tension ou à l'aide d'un compteur d'impulsions à intervalles de temps constants. - Une unité de contrôle CPU (5) de traitement, dont la puissance de calcul soit suffisante pour utiliser les algorithmes de contrôle que requiert le système et pour fournir les données nécessaires (d), telles que la position et la vitesse. Le système de base peut être complété et amélioré par deux autres éléments dont l'installation -5- est facultative. On ajoutera l'un ou l'autre, les deux ou aucun des deux, en fonction des possibilités d'utilisation. Bien qu'ils ne soient pas essentiels au fonctionnement du système, leur installation améliorera la solidité et la facilité d'utilisation du système final. Ces éléments sont les suivants: - Appareil de détection de balises (6). Cet appareil détecte une série de balises installées tout le long du trajet à parcourir et à des endroits dont la position absolue exacte est connue. Quand il détecte une balise, l'appareil informe directement la CPU (5) du système et celle-ci cherche dans sa mémoire (1) quelle est la position absolue correspondante. Les balises utilisées peuvent être actives (avec connexion électrique à une source d'alimentation extérieure ou intérieure) et/ou passives (sans connexion électrique à la source d'alimentation). - GPS (global positioning system) (7). Les GPS sont des appareils capables de détecter la position absolue d'un récepteur situé à n'importe quel endroit sur la terre. Ils utilisent à cet effet l'information provenant de satellites qui tournent autour de la terre dans des orbites non géostationnaires. Lorsque le véhicule est à l'arrêt, l'information provenant d'un récepteur GPS permet d'obtenir une valeur de départ. Nous allons décrire à présent un exemple de réalisation pratique de fonctionnement. Le véhicule commence à circuler à partir d'une position absolue de départ qui a été fournie de façon -6- automatique (par exemple: fin de course, balise, GPS) ou manuelle (clavier). L'unité de contrôle (5) utilise ensuite l'information donnée par le capteur de position relative (4) pour actualiser la position absolue du véhicule. La mesure de ce capteur (4) peut être affectée par différentes sources d'erreur: usure de la roue de mesure, variations du diamètre de la roue, variations du parcours qu'effectue la roue, patinages dans les phases de traction et de freinage du véhicule, etc. Ceci implique que la mesure de la position absolue à l'aide du capteur de position (4) n'est pas tout à fait précise. Pour obtenir une valeur plus précise, le système a prévu des algorithmes destinés à corriger la position du véhicule calculée à l'aide de l'information du mesureur de position. Ces algorithmes de correction reposent sur l'identification/paramétrisation des virages réels par analyse des données dynamiques de fonctionnement transmises par les signaux provenant des capteurs (3), (4) et leur comparaison avec les données théoriques du parcours intégrées préalablement dans le module de mémoire (1). Cette analyse consiste à ajuster le profil d'un virage réel, exprimé en coordonnée du signal obtenu par les capteurs (3), (4), sur un profil théorique du même virage qui est enregistré dans la mémoire (1). Ce réglage peut être fondé sur l'obtention de l'erreur minimale entre les deux virages - théorique et expérimental - selon les coordonnées. Nous allons décrire à présent, à titre d'exemple, deux méthodes de réglage qui peuvent être utilisées. La première est fondée sur le réglage du 7- centre de gravité et la seconde sur le réglage du virage de transition: - Méthode 1: réglage du centre de gravité (figures 2 et 3). Le tracé comprend une série de virages qui, compte tenu de leurs caractéristiques - essentiellement parce qu'ils dépassent un rayon minimum préétabli -, ont été considérés comme des virages de correction. On connaît leur rayon de courbure (R), la longueur des virages de transition, d'entrée (Lti) et de sortie (Ltf), et la longueur du virage (Lcu), comme l'indique la figure 2 (virage théorique (ct)), dans laquelle l'ordonnée est l'inverse du rayon (1/R) et l'abscisse représente les longueurs indiquant la position absolue (Pa). Les données de virage citées ci-dessus permettent d'obtenir le centre de gravité (cdg) de la figure par rapport à un axe, par exemple, l'axe des ordonnées. Le véhicule capte constamment les signaux provenant du capteur de virage (3) mesurant la vitesse angulaire de la boucle (fidot) et du capteur de position (4) qui fournit la vitesse de marche (vel) à intervalles de déplacement (deltas) constant. Lorsque le véhicule s'approche d'un virage de correction, le système entre en fonctionnement avec les données provenant des détecteurs/capteurs (3), (4) en donnant les valeurs de la représentation du virage réel (cr) avec les valeurs réels du rayon de courbure et de position. Cette opération s'effectue pour tous les échantillons recueillis sur le tracé o l'on suppose l'existence d'un virage de correction -8- avec une marge de déplacement avant et après le virage, c'est-à-dire que l'échantillon de données commence un peu avant le virage et se termine un peu après celui-ci (zone m). La figure 3 montre la comparaison entre le profil de la mesure réelle (cr) et les données théoriques (ct) d'un virage dans lequel la position absolue du véhicule est avancée par rapport à la valeur théorique. Lorsque tout le virage de correction est passé, on calcule le centre de gravité (cdgr) du virage réel mathématique par rapport à la position initiale à l'aide d'une fonction mathématique classique. Cette valeur réelle du centre de gravité (cdgr) est comparée à la valeur théorique (cdgt) qui est enregistrée dans la mémoire. La différence entre la valeur réelle et la valeur théorique donne l'écart (corr) entre la position réelle et la position théorique du véhicule. corr = cdgr-cdgt Avant que la donnée de la position absolue du véhicule ne soit actualisée avec la nouvelle position, on effectue un contrôle de sécurité: la valeur absolue de la correction (corr) doit être inférieure à une valeur de correction minimale (corr. um). Si ce n'est pas le cas, la correction (corr) sera égale à la valeur de la correction minimale, avec le signe de corr. Lorsque ce contrôle a été effectué, on actualise la valeur de la position absolue (pos.abs) de la façon suivante: - 9 - pos.abs = pos.abs-corr La valeur de position absolue continuera d'être actualisée à partir de cette nouvelle valeur. Méthode 2: réglage du virage de transition. Cette variante repose sur le réglage du virage de transition, aussi bien de l'entrée que de la sortie. Prenons le cas de la figure 4 dans lequel le véhicule est en avance par rapport au tracé théorique. L'algorithme de correction essaiera maintenant de calculer la valeur de corr corr = cdgr-cdgt en se basant sur un réglage en fonction de l'erreur minimum entre le virage réel et une rampe parallèle à celle du virage théorique. Cette méthode est identique à la méthode précédente sauf dans la partie du calcul de cdg-cdgr: c'est la distance existant entre la référence des mesures et la position en abscisse du centre de gravité de la rampe parallèle (rp) à la rampe théorique (rt) qui fournit l'erreur minimum de réglage avec le virage réel (cr). Si le système est équipé d'un dispositif de détection de balises (6), le processus suivant sera exécuté en même temps que le processus précédent: 1.- Détecter le franchissement d'une balise et déterminer la référence de celle-ci. 2.- La référence de la balise permet de consulter la base de données des balises de la - 10 - mémoire (1) et d'obtenir la position absolue associée à la balise en question (pos.bal). 3.- La valeur de la position absolue du véhicule sera à partir de cet instant la valeur de la position absolue associée à la balise. pos.abs = pos.bal Si le système est équipé d'un GPS (7), on pourra mettre en oeuvre soit un procédé analogue au procédé précédent, soit un procédé de sécurité visant à confirmer l'information actuelle. Les étapes à suivre sont les suivantes: 1.- Lorsque le véhicule est à l'arrêt, on traite l'information reçue par le GPS (longitude et latitude de la position du véhicule) pendant un certain laps de temps et on calcule une moyenne des coordonnées de longitude et de latitude. 2.- Ces coordonnées acquises, on consulte la base de données de la mémoire du système et on associe à ces coordonnées une valeur de la position absolue du véhicule (pos.gps). 3.- On calcule la correction (corr) comme étant la différence entre la valeur de position actuelle (pos.abs) et la position obtenue par le GPS (pos.gps). corr = (pos.abs-pos.gps) 4.- Si la valeur de correction est inférieure à une valeur plancher pour les corrections de GPS - 11 - (corr-um.gps), on considérera valide la donnée de la position actuelle (pos.abs). Cette valeur plancher est étroitement liée à la précision du GPS. Dans le cas contraire,- on remplacera la valeur actuelle de la position (pos.abs) par celle du GPS (pos.gps). - 12 - REVENDICATIONS 1.- Système détecteur de position pour véhicules guidés, caractérisé par les éléments suivants: a) un bloc de mémoire (1) dans lequel est intégré préalablement chaque trajet divisé en tronçons identifiés par leurs paramètres théoriques de position absolue, longueur et rayon, et dans lequel sont intégrés préalablement les virages de correction; b) au moins un capteur (3) sensible à la circulation en virage et un capteur (4) de position relative dont les signaux sont envoyés à c) une unité de contrôle (5) qui établit à partir de ces signaux le profil de variation des paramètres réels des virages de correction et effectue un réglage basé sur l'obtention de l'erreur minimale des profils dans les coordonnées obtenues à partir des paramètres théoriques et des paramètres réels, en déterminant la position absolue réelle du véhicule. 2.- Système détecteur de position pour véhicules guidés, selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur (3) sensible à la circulation en virage est un capteur de mesure de la vitesse de rotation de boucle du véhicule et en ce que le capteur de position (4) relative fournit l'information permettant de mesurer la variation de la position du véhicule et sa vitesse absolue dans le sens de la marche. - 13 - 3.- Système détecteur de position pour véhicules guidés, selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que: a) chaque virage de correction comprend un virage de transition d'entrée, le virage et un virage de transition de sortie, donnant lieu à un virage théorique exprimé en coordonnées, dont les paramètres théoriques sont l'inverse de ses rayons en ordonnée et de ses longueurs en abscisse; b) on calcule le centre de gravité de la zone du virage théorique; c) on obtient un virage réel, dans les mêmes coordonnées que celles du virage théorique, à partir des paramètres réels calculés sur la base de l'information fournie par le capteur de détection du virage et par le capteur de position relative; d) on calcule le centre de gravité de la zone du virage réel; e) on obtient la différence de valeur des données du centre de gravité du virage théorique et du virage réel, la valeur de cette différence servant à corriger la donnée de position absolue. 4.- Système détecteur de position pour véhicules guidés, selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que: a) chaque virage de correction comprend un virage de transition d'entrée, le virage et un virage de transition de sortie, donnant lieu à un virage théorique exprimé en coordonnées, dont les paramètres - 14 - théoriques sont l'inverse de ses rayons en ordonnée et de ses longueurs en abscisse; b) on calcule la position en abscisse du centre de gravité de la rampe théorique correspondant au virage de transition; c) on obtient un virage réel, dans les mêmes coordonnées que celles du virage théorique, à partir des paramètres réels calculés sur base de l'information fournie par le capteur de détection du virage et par le capteur de position relative; d) on calcule la position en abscisse du centre de gravité d'une rampe réglée sur le virage de transition réel et parallèle à la rampe théorique; e) on obtient la différence de valeur entre les positions en abscisse des données entre les centres de gravité de la rampe théorique et la rampe réglée, la valeur de cette différence servant à corriger la donnée de position absolue. 5.- Système détecteur de position pour véhicules guidés, selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par l'installation a) d'une série de balises de signalisation (6) tout le long du trajet à parcourir et aux endroits o sa position absolue est connue; b) de moyens de détection (7) du franchissement de la balise par le véhicule. 6.- Système détecteur de position pour véhicules guidés, selon l'une quelconque des - 15 - revendications 1 à 5, caractérisé par l'équipement d'un dispositif de détection par satellite de la position absolue du véhicule.