Brevet FR2840540A1 — publié le 20031212

auxdites arme(s) de tir (6). telecommande-optique'.DOC L' invention concerne le princi pe et la real isation d'u n jouet mobile motorise et telecommande dont le principe de telecommande, particulierement ergonomique et simplifie est adapte a un enfant tres jeune. On connat toutes sortes de telecommandes, soit radio soit par infrarouge, elles emettent en direction du jouet motorise des consignee d'acceleration ou de direction. Ces consignee vent interpretees par le vehicule en fonction de sa position instantanee, I'utilisateur doit prendre en compte cette contrainte pour parvenir a piloter le jouet. Cette contrainte est peu acceptable pour un enfant. Tourner a droite est intuitif quand le vehicule s'eloigne du pilote, quand le vehicule revient vers le pilote, la commande est inversee. Les telecommandes manquent de reactivite, elles ne prennent pas en compte le changement d'adherence, la difficulte de moduler ['acceleration en consequence. L'invention vise a resoudre ces contraintes, et propose une telecommande intuitive immediatement controlee par l'enfant et adaptee a ses limites. Selon ['invention, I'enfant dispose d'une commande manuelle figure 1. Cette commande emet faisceaux optique collimate qui projette un spot. Le spot genere par cette commande designe la zone que le vehicule motorise doit o atteindre. Le vehicule pour-quit le spot, I'enfant definit simplement la trajectoire que le vehicule doit parcourir. Selon ['invention le vehicule comporte au moins - deux moteurs animant deux roues, telecommande-optique'.DOC une source d'energie autonome ( par exemple des piles ou des batteries), qui alimente une electronique de commande des moteurs. Cette electronique re,coit une information de la position relative du spot. La cite electronique commande les moteurs: - pour avancer le vehicule si le spot s'eloigne dans l'axe du vehicule; o - pour tourner le vehicule dans la direction laterale relative que prend le spot. Dans une version amelioree, le spot projete a l'arriere du vehicule declenche son recur puis son retournement complet. Les capteurs qui delivrent ['information de position relative du spot a l'electronique vent de nature optique. Ces capteurs captent la direction angulaire relative du spot par rapport au vehicule. L'electronique agit sur les moteurs de maniere a maintenir constante et frontale la position du spot par rapport au vehicule. Ce faisant, le jouet pour-quit le spot. Les capteurs vent par exemple des photodiodes sensibles a la lumiere par exemple visible, dans la bande de frequence du spot. Les capteurs percolvent un spot situe dans un cone de reception qui leur fait face, ils captent la portion du spot qui diffuse dans ce cone de reception, et generent un signal o electrique, un courant par exemple proportionnel au flux percu dans ce cone. telecommande-optique'.DOC L'electronique traite les courants delivres par les capteurs et genere en consequence les courants de commandes des moteu rs. Selon ['invention, le courant de commande des moteurs est proportionnel aux courants delivres par les diodes, le traitement agissant comme une amplification. Selon une version de ['invention optimisee pour sa o sensibilite et la distance de detection du spot, I'ambiance lumineuse artificielle et naturelle vent eliminees par filtrage electronique. L'ambiance lumineuse artificielle est caracterisee par une frequence propre de 50 Hz ou 60 Hz, celle du reseau electrique domestique. L'ambiance lumineuse naturelle est quasi constante. Si les capteurs vent a reponse frequentielle rapide, o comme les diodes notamment, alors un filtrage peut etre effectue pour masquer l'effet de la lumiere ambiante et de la modulation 50 Hz ou 60 Hz et discriminer ainsi le spot. Aussi, une modulation de ['amplitude du faisceau du spot par exemple a 3 kHz est particulierement adaptee pour un filtrage en reception a la meme frequence de 3 kHz. Selon ['invention, un tel filtrage assure une grande sensibilite de la detection du spot dans le champ des capteurs, malgre le soleil et l'eclairage artificial. Cette sensibilite est necessaire, dO a une puissance moderee, pour que le faisceau et le spot solent detectes. En effet, la securite oculaire impose un faisceau de tres faible puissance, de l'ordre de 0.1 mW maximum. telecommande-optique'.DOC Avec une telle puissance, le spot presente une puissance lumineuse tres inferieure au flux ambient moyen. Le detail de realisation de ['invention sera mieux compris s a l'examen des figures ci apres, qui decrivent un exemple non exclusif de realisation de ['invention. La realisation de ['invention est susceptible de variantes nombreuses, qui toutes rentrent dans son champ d'application. o La telecommande optique est detaillee figure 1. Wile comporte une batterie ou une pile 15 pour un fonctionnement autonome une diode emettrice 13, une lentille de collimation 12, et un interrupteur 16. La diode 13 emet de preference dans le spectre visible, rouge par exemple. Le bleu, le vert le jaune ou le blanc - conviennent aussi, I'infrarouge aussi pour des applications ou voir le faisceau n'est pas necessaire. La diode situee sensiblement au point focal de la lentille o 12 volt son faisceau concentre en un faisceau parallele qui projette un spot a quelques metres. Une version de ['invention protege l'utilisateur de tout risque l'eblouissement en garantissant que le faisceau est n'est emis qu'en direction du sol. Dans cette version, le circuit d'alimentation de la diode 13 est ferme par un contacteur sensible a l'inclinaison ou a la gravite, type contacteur a bille 17. o Le contact se ferme des lors que la commande est inclinee vers le teas. Observer le faisceau de face devient alors inconfortable et peu probable. Une telle version de la commande volt son ergonomic et son autonomic optimisee par un declenchement conditionne. telecommande-optique'.DOC s Les batteries ou les piles15 vent preservees d'un fonctionnement intempestif. Selon une version de ['invention optimisee pour sa s sensibilite l'intensite de la diode est modulee grace a ['action d'un circuit modulateur oscillant 14 selon l'art en cours. La figure 2 donne un exemple de realisation de ce circuit, la figure 3 le signal de sortie de ce circuit et la figure 4 le o spectre correspondent. En 4 figure 2 le modulateur est par exemple realise par un circuit oscillateu r astable d u type 555, reg le par deux resistances R1 et R2 et un condensateur C1 qui determinant la {5 frequence d'oscillation. Une frequence de 3Khz est par exemple non exclusif. Nous retrouvons en 23 figure la diode electroluminescente emettrice commandee par son transistor mos M 1, en 27 le contacteu r a bil le qu i ferme le contact avec l' i ncl i naison vers le o sol, en 26 le contacteur potentiometre qui ferme le circuit et regule le niveau moyen du faisceau, en 25 les piles ou batteries. L'intensite lumineuse varie en proportion de la pression s exercee sur la gachette 26 figure 1. La figure 3 illustre l'intensite lumineuse instantanee emise par la commande equipee d'un tel modulateur 24, elle est modulee a une frequence de 3 kHz comme le montre le spectre o correspondent figure 4. La figure 5 illustre un exemple de realisation du vehicule commande par une telle telecommande. telecomnande-optique'.DOC 11 comporte au moins: - deux diodes receptrices 56 et 57 situees a ['avant dans les angles, ou bien dans l'habitacle, derrieres les vibes; - une source d'energie autonome comme une batterie ou une pile; - deux moteurs electriques independents 54, 55, chacun en prise avec une roue 52; - une electronique de traitement 58. Selon ['invention le moteur 54 rec,oit un courant ou une tension de com mande proportion nelle a l' intensite lu mineuse rec,ue sur la diode 57, cette intensite resultant de la presence d'une fraction du spot dans le champ optique de ce dit capteur. De meme selon ['invention le moteur 55 rec,oit un courant ou u ne tension de com mande proportion nel le a l ' i ntensite lumineuse re,cue sur la diode 56, cette intensite resultant de la presence d'une fraction du spot dans le champ optique de ce dit capteur. Selon ['invention cet automatisme de compensation suffit a contraindre le vehicule a poursuivre le spot. Un exemple de realisation non exclusif de ['invention comporte un circuit de traitement tel que decrit la figure 6. Dans sa version la plus simple il ne comporte que les o elements 61, 65 et 66. 61 represente l'une des deux diodes receptrice; qui genere un courant proportionnel a l'intensite lumineuse re,cue, 65 represente le moteur du cote oppose. II est parcouru par un courant proportionnel a la tension de grille de son transistor de commande M1. La tension de grille est telecommande-optique'.DOC proportion nel le au cou rant delivre par 1 da ns la resistance R 14. Le moteur Md en 65 est done commande en proportion de la lumiere re,cue sur la diode 1, la source 66, une batterie ou une pile fournit l'energie a la tension V1. s Dans une version plus evoluee, un preamplificateur de courant 62 augmente la sensibilite du recepteur. Cela est par exemple realise par un simple transistor bipolaire Q8. o Dans une version encore plus evoluee seule la lumiere modulee a la frequence de modulation du spot est amplifiee, par exemple 3 Khz si telle est la frequence de modulation de la telecommande. La discrimination est realisee par un filtre accorde a cette frequence en 63, un filtre en structure cite 'de Rauch' dont la bande et les gains vent regles par R1 en relation avec C1, C2, R6 et enfin l'amplificateur operationnel U1. Dans une version encore plus evoluee, un deuxieme etage o de filtrage 64 rejecte la frequence de la lumiere artificielle, par exemple le 50 Hz, par un simple filtrage passe haut realise par R15 et C6; redresse les signaux a la seule frequence de 3 kHz, grace a la diode D2; et enfin en compare la tension Vs a un seuil Vref. De cette comparaison resulte un signal carre dit PWM proportionnel, signal traditionnel de commande d'un variateur moteur sans perte de charge. Le principe est mieux compris a l'examen de la figure 7 qui illustre le signal de commande PWM ( VM1 g) dont les o creneaux augmentent en largeur en fonction du depassement de ['amplitude du signal module amplifie et filtre (VD2:2) par rapport a Vref: (VR17:2). telecommande-optique'.DOC Ce signal de commande PWM proportionnel est genere par ['action de l'ampli comparateur U2 qui compare VS a Vref. Par cette combinaison tres astucieuse, il est realise une commande moteur proportionnelle a falble perte, compatible avec une autonomic optimisee des batterie et une falble dissipation par perte thermique dans le transistors M1. Le facteur de qualite du filtrage, illustre en figure 8, o montre que seule la composante modulee a 3 kHz de la lumiere rec,ue en 61 est prise en compte. La lumiere du jour, continue, et les eclairages electriques (50 ou 60 Hz) vent alors sans effet sur les moteurs, le jouet i5 dispose done d'une commande sensible et indiferente aux perturbations lumineuses ambiantes. Bien entendu, toute combinaisons des composants 62, 63 et 64 est convenable, et rentre dans le cadre de ['invention. Seuls les elements 61, 65 et 66 vent indispensables et system atiq u es. Ceci decrit un premier mode de realisation de ['invention, avec plusieurs versions a sophistication et performances croissantes. Dans cette premiere version, le vehicule ne fait qu'avancer, ou tourner, aussi en cas d'erreur de pilotage, il est o succeptible de rester blocque par un obsatcle. Une option de realisation de ['invention comporte une commande de marche arriere, egalement optique, avec un ou deux recepteur photoelectriques supplementaires. telecommande-optique'.DOC Ceci est illustre figure 9, les diodes 910 et 911 commandant la marche arriere. Au cas ou une diodes uniques commande la marche arriere, selon ['invention, la presence du faisceau dans le champ du recepteur oriente vers l'arriere du vehicule superpose un courant proportionnel au flux perc,u aux deux moteurs 904 et 905. Ces courants se superposent lineairement aux courants o resultant des flux captes sur les diodes avant. Au cas ou deux diodes 910 et 911 per,colvent la zone arriere alors, les moteurs vent commandes de la fa,con suivante: - Le moteur 905 avance en fonction du flux re,cu sur la diode 906 et recule en fonction du flux rec, u sur 911 - Le moteur 904 avance en fonction du flux re,cu sur la diode 907 et recule en fonction du flux re,cu sur 910 Par ce procede' le vehicule se maintien non plus face au faisceau mais exactement sous le faisceau, car les moteurs vent actives pour trouver un equilibre correspondent a un courant de commande nul. Seule la position centree du vehicule assure cet equilibre. Par ce procede tres ergonomique, le vehicule est guide par la lumiere dans toutes les directions, meme a reculon. II manceuvre automatiquement pour retrouver le sens de la marche. La figure 10 donne un exemple de realisation de l'electronique de commande 908 figure 9. telecommande-optique'.DOC Si M figure 10 est le moteur 905 figure 9, alors 1001 figure 10 est la diode 906 figure 9 et 1011 figure 10 est la diode 911 figure 9. Seuls les etages 1005 et 1015 figure 10 vent adaptes, selon le principe de pont en H de commande moteur de l'etat de ['art. Ce principe est particulierement adapte a la superposition o des commandes avant arriere, qui s'annulent et se differencient sans conflit. Le moteur reagit en fonction de la difference des signaux generes par chaque chane d'amplification. Bien entendu, les elements 1002, 1003, 1004, 1012, 1013, 1014 vent optionnels. Le vehicule selon ['invention peut representer toute sorte de jouet. II peut traditionnellement simuler une voiture, realisant une voiture a telecommande optique. Mais il peut aussi etre decline en une figurine, un animal, etc. On appreciera particulierement l'originalite d'une souris grise, guidee par un faisceau par exemple infrarouge done invisible. A ce titre elle est destinee a un adolescent farceur plus qu'a un enfant qui lui preferera une voiture. Un tel principe de telecommande requiere une mecanique o d'entranement simple directe et sans point dur. Les systemes de moteur avec reducteur se present mal a ['usage attendu en raison des jeux et inerties correspondents. En effet, les asservissements vent penalises par toute inertie frottement et point dur. telecommande-optique'.DOC Aussi selon ['invention, une mecanique simplifiee est recommandee, selon le principe illustre figure 11. Un moteur miniature 114 a courant continu par exemple du type ' vibreur de telephone' comporte sur son axe un manchon 115 en matiere adherente et elastique. Un train arriere 112 comporte deux roues folles sur un arbre unique, des pneus en matiere adherente et elastique. Un train avant 113 o comporte deux roues folles sur un arbre unique, des pneus en matiere rigide et glissante. Le manchon vient entraner la roue 112, qui tourne librement sur son axe. L'axe de la roue deux est guide verticalement, et possede un jeu. Le poids de la voiture impose l'appui du manchon 115 sur le pneu 112. Par le fait de l'entranement, la rotation du manchon tournant dans le sens de la fleche provoque un auto embrayage, qui renforce l'entranement. Par ailleurs, le moteur n'est pas en prise directe avec la roue, il n'embraye que quand il tourne, il est done protege des chocs. La direction de roulement du vehicule est determine par les vitesses relatives des deux roues arrieres, les roues avant glissant lateralement en tournant. Le systeme economique decrit ci dessus remplace avantageusement le jeu de pigeons que l'etat de l'art constate dans les voitures telecommandees. telecommande-optique'.DOC Pour l'homme de ['art, nous recommandons ['usage des diodes electroluminescente haute brillance et haute qualite optique de la marque Agilent, telle que la diode rouge himp- eg15-rvOOO. Collimate avec une lentille de diametre 4 cm et de focale 10 cm, elle realise un faisceau tres pur et un spot de 5 cm a 3 m. Comme photodiode, nous recommandons le modele SLD 70 BG2A de la marque Silonex. ou SLD 70 C2A du meme constructeur. La premiere rejette les infra rouges, mais est plus couteuse. Un exemple d'ampli adapte est fourni par la marque Microchip en reference MCP602isn, du type bimos. Enfin, I'alimentation du vehicule peut ne comporter q'une batterie unique, associee a un elevateur de tension regulateur du type step-up comme celui de la marque Maxim en reference max856. Le transistor mos recommande est le fdn335n, un standard. Le modulateur, ne555P est egalement un standard. En lieu et place de la diode electroluminescente 13 Fig 1, il peut etre mis en couvre une diode laser, dont le niveau d'emssion est falble, pour des enfants qui ne seraient pas de premier age. telecommande-optique'.DOC Revendications 1) Jouet mobile, associe a une telecommande, caracterise en ce que - la telecommande emet un faisceau en direction du sol et genere un spot - le jouet mobile pour-quit ['impact du faisceau sur le sol, au moyen: - d'au moins deux moteurs, (54, 55 fig 5), deux roues o motorisees (52 fig 5) chacune par l'un desdits moteurs, des piles ou batteries (59 fig 5) et une electron iq ue de com mande (58 fig 5) des d its moteurs munie de capteurs optiques (56, 57 fig 5). 2) Jouet selon la revendication 1 caracterise en ce que: les dits capteurs optiques vent des photodiodes sensibles a la presence du spot dans leur champ, qui emettent chacune un courant proportionnel au flux per,cu dans le dit champ. 3) Jouet selon la revendication 2 caracterise en ce que: la commande comporte au moins une batterie ou une pile (15 fig 1) et au moins un interrupteur (16 fig 1) et un contacteur (17 fig 1), et une diode eiectroluminescente (13 fig 1) situee au point focal d'une optique de collimation (12 fig 1). 4) Jouet selon la revendication 3 caracterise en ce que le dit contacteur qui ferme le circuit d'alimentation de la cite diode electroluminescente des que le faisceau est incline vers le sol est du type contacteur a billet ) Jouet selon la revendication 3 caracterise en ce que l 'electron ique (58 fig 5) genere u n cou rant de com mande d u moteur (55 fig 5) proportionnel a l'intensite du flux du spot re,cu telecommande-optique'. DOC dans le champ du capteur (56 fig 5), et respectivement un cou rant de commande d u moteu r (54 fig 5) proportion nel a l'intensite du flux du spot rec,u dans le champ du capteur (57 fig ) 6) Jouet selon la revendication 5 caracterise en ce que l'electronique (58 fig 5) comporte deux chanes d'amplification (61 a 65 fig 6) dont des elements optionnels (62, 63 et 64 fig 6), I'une reliant le capteur (56 fig 5) au moteur (55 fig 5), o l'autre le capteur (57 fig 5) au moteur (54 fig 5). 7) Jouet selon la revendication 3 caracterise en ce que le capteur et l'electronique discriminent le spot de la lumiere am biante natu rel le constante et artificiel le a frequence de 50 ou 60 Hz au moyen d'une modulation de l'intensite du faisceau a une frequence constante, notablement superieure a celle de la lumiere artificielle. 8) Jouet selon la revendication 5 caracterise en ce que le o faisceau de la commande est module en intensite a frequence fixe par une electronique (14 fig 1) comportant un circuit astable oscillant et un transistor. 9) Jouet selon la revendication 5 caracterise en ce que s l'electronique (58 fig 5) discrimine le spot de la lumiere ambiante au moyen d'un filtre selectif realise par un filtre actif de Rauch du second ordre modules (63 fig 6) et/ou un filtre passif (64 fig 6). o 10) Jouet selon la revendication precedente dont le vehicule est rendu indifferent a la lumiere ambiante naturelle et artificielle, sensible a un spot de tres faible amplitude, et optimisant le rendement des batteries au moyen d'une electronique (58 fig 5) comportant ( fig 6): la combinaison d'un telecommande-optique'.DOC preamplificateur (62), d'un filtre (63), d'un comparateur (64), d'un driver de moteur (65). 11) Jouet selon la revendication 3 caracterise en ce que le vehicule pourquit un spot situe a l'arriere, au moyen d'un ou deux capteurs optiques (910), respectivement (911 fig 9) dont les courant amplifie par une electronique (908) commande le recur des moteurs (904) respectivement (905). o 12) Jouet selon la revendication 11 caracterise en ce l'electronique (908 fig 9) comporte deux poets de transistors (1005 et 1015 fig 10), chacun pilotes par une chane d'amplification du courant d'une diode arriere et d'une diode avant. 13) Jouet selon la revendication 1 caracterise en ce que la direction du vehicule est imposee par le train arriere, au moyen: ( fig 1 1) - de deux trains de roue libres 113 et 112 folles sur o leurs axes respectifs, - de pneus avant 113 glissant, - de pneus arriere 112 agrippant, - de deux moteurs 114: - de manchons 115 qui roule sur les pneus de 112 - d'un guidage vertical de l'axe du train 112. 14) Jouet selon la revendication2 caracterise en ce que la commande comporte au moins une batterie ou une pile (15 fig 1) et au moins un interrupteur (16 fig 1) et un contacteur (17 o fig 1), et une diode laser (13 fig 1) situee au point focal d'une