Brevet FR2895359A1 — publié le 20070629

L'invention concerne le principe et la réalisation d'une plate forme de transport électrique et autonome pour piéton. Les déplacements de courte durée s'effectuent souvent à s pieds. Ils sont parfois combinés avec l'usage d'un transport en commun, comme en train ou en avion. Des aéroports très étendus imposent de longues marches, des gares, des campus universitaires, des centres industriels, des entrepôts aussi, la mise à disposition des piéton d'un véhicule électrique constituerait un 10 élément de confort. De même ce support pourrait aussi être utilisé sur les trottoirs, pour de courts déplacements citadins. L'état de l'art comporte notamment le Segway, une plateforme comportant deux roues, des batteries rechargeables, un 15 dispositif de stabilisation par centrale inertielle, un guidon solidaire de la plateforme. Cet engin n'est pas suffisamment compact pour circuler sans gène sur le trottoir, il est trop lent pour circuler sur la chaussée, 20 enfin son poids, de l'ordre de 30 kg lui interdit l'accès aux transports en commun. II a été conçu pour le déplacement urbain de proximité, mais il s'avère trop encombrant sur le trottoir, intransportable dans le métro, le bus et les autres transports en commun. 25 De plus le Segway se dirige avec un volant qui transmet les consignes pour tourner, et les informations nécessaires à l'équilibre du passager. Le Segway mobilise les mains du passager, et est peu commode pour un déplacement utilitaire. Le passager doit 30 pourvoir utiliser ses mains pour toutes les taches usuelles de portage, ouvrir des portes, interagir socialement. L'invention est un support électrique motorisé qui transporte le piéton et qui reste compatible avec toutes les contraintes listées 35 ci-dessus. Ainsi l'invention respecte les critères suivants : 2 Le piéton supporté -circule sur les zones et voies piétonnes à une vitesse de piéton, jusqu'à environ 7 km/h s - circule sur la chaussée à une vitesse inférieure à 20 kmlh - a l'agilité d'un piéton normal ou d'un patineur - circule sans effort - dispose de ses deux mains libres - porte ses vêtements et chaussures habituelles 10 Le support - est compact, transportable et léger, d'un poids par exemple inférieur à 7 kilogrammes - il est rechargeable sur une prise de courant domestique, ou 15 par un autre moyen équivalent - Il présente environ une heure d'autonomie, ou 14 km. L'invention décrite figure 1 comporte 2 roues 11, reliées à une plate forme 12 par deux axes 13 motorisés indépendamment. Selon l'invention la plateforme comporte deux moteurs électriques, éventuellement associés à des réducteurs, reliés aux axes de chacune des deux roues. 25 Selon l'invention les moteurs sont du type linéaire ou bien du type pas à pas. Selon l'invention les réducteurs sont du type harmoniques ou bien à démultiplication en cascade, ou de tout autre type 30 indifféremment. Selon l'invention la plateforme comporte un batterie rechargeable, de tout type de technologie, indifféremment, nickel cadnium, Nickel métal hydrure, lithium ion, ou à combustible. 20 35 3 Selon l'invention la plateforme comporte une connexion pour recharger les batteries de type électriques, ou bien un moyen pour recharger la pile en combustible. Selon une version de l'invention la batterie est rechargée aussi par l'énergie solaire, au moyen d'une cellule photoélectrique non représentée disposée sur toute la surface de la plate forme 12. Selon l'invention la plateforme est maintenue à l'aplomb du centre de gravité de l'utilisateur afin de prévenir sa chute par l'action combinée des moteurs, d'une électronique de régulation et d'un capteur : un accéléromètre. Selon l'invention l'accéléromètre mesure les accélérations de la plateforme dans son plan et dans son axe longitudinal. Une accélération mesurée positive signifie par exemple un basculement vers l'avant de la plateforme, ce qui entraîne à travers l'action de l'électronique de régulation une accélération de la plateforme afin de rétablir l'équilibre identifié comme une position horizontale dans le référentiel relatif. L'invention ne comporte aucune commande manuelle pour la rotation de la plate forme, ni volant, ni guidon, ni télécommande. Selon l'invention la rotation est commandée par le décalage latéral du centre de gravité de l'utilisateur sur la plateforme. Selon l'invention, l'utilisateur oriente la plateforme vers la 30 droite en renforçant l'appui sur son pied droit, et vers la gauche en renforçant son appui sur le pied gauche. Selon l'invention, l'appui est détecté au moyen d'un capteur de force 21 figure 2, situé sensiblement sous l'appui du pied. 35 4 Selon l'invention deux autres appuis pivot ou souples 22 solidarisent la plaque supérieure de la plateforme avec son corps. Selon un mode non limitatif de réalisation de l'invention le 5 capteur de force est du type à jauge de contrainte, ou bien piézoélectrique. Selon un mode préférentiel de l'invention, le capteur de force est de type polymère à résistance variable en fonction de la 10 pression. Selon un mode de réalisation de l'invention, la vitesse de la roue droite est augmentée en fonction de la différence d'appui entre la gauche et la droit 15 la roue gauche est augmentée en fonction de la différence d'appui entre la droite et la gauche Il apparaît que la rotation de la plateforme vers la droite soumet l'utilisateur à une force centrifuge vers la gauche, ce qui 20 réduit l'appui qui est la cause de la rotation. Le système est en contre réaction naturelle et donc auto stable. Selon un mode de réalisation plus élaboré, la vitesse est augmentée également en fonction d'un facteur proportionnel à la 25 vitesse pour les vitesses très basses, et inversement proportionnel à la vitesse pour les vitesses élevées. La force centrifuge est mVS2, S2 étant la vitesse angulaire de la plateforme. Cette vitesse angulaire est reliée au rapport de la différence de vitesse des deux roues SV sur la largeur de la plate forme d. La forme centrifuge mVSv/d est la conséquence d'un décalage 35 horizontal de centre de gravité de 8x. 30 La condition d'équilibre de l'utilisateur est régie par le couple autour d'un axe horizontal passant par exemple par le pied dont le centre de gravité s'éloigne. 5 La condition de l'équilibre se réduit donc à : mg 5xd/2=mV nh avec S2=3V/d soit: mSV/mgSx = d2/hV mgSx représente la différence de force d'appui entre les deux 10 pieds. mSV représente le surcroît de travail résultant d'une variation de tension de commande d'un moteur. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention la 15 différence de vitesse entre les deux roues est proportionnelle à l'écart de position latéral du centre de gravité de l'utilisateur et inversement proportionnelle à la vitesse moyenne, si la vitesse moyenne est supérieure à 1 m/s. Ainsi les conditions de l'équilibre de l'utilisateur sont indépendantes de la vitesse et de l'effet de la 20 force centrifuge. Cependant ce mode de commande est problématique pour de faibles valeurs de la vitesse, en particulier au moment ou l'utilisateur monte sur la plate forme en créant un déséquilibre 25 maximum entre les deux appuis. Le risque étant alors de déclencher une rotation folle de la plateforme, il est préconisé que le coefficient soit proportionnel à la vitesse pour de faibles valeurs de la vitesse. Quand la plateforme 30 est immobile, la rotation est bloquée. Ainsi selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, le coefficient de liaison entre SV et Sx est proche de V/(1+V2). (V exprimé en m/s.) 35 6 Selon l'invention, mg6x génère un différentiel de tension Sv aux bornes des résistances variables à polymère sensible à la pression. La vitesse V est sensiblement reliée à la tension de commande du moteur vmoteur. Ainsi, la tension de commande du moteur de droite est augmentée en fonction de Sv x k vmoteur/(1+vmoteur2)• Sx représente le décalage du centre de gravité de l'utilisateur vers la gauche. Inversement pour le moteur de gauche. k représente le gain de l'automatisme, entre 1 et 10. Selon l'invention, le coefficient vmoteur/(1+vmoteur2) est calculé 15 soit numériquement, au moyen d'un microprocesseur, soit par un procédé analogique équivalent et approximatif. Selon un exemple de réalisation de l'invention, l'électronique de commande du moteur droit par exemple, figure 3, comporte un 20 capteur accélérométrique 31 à sortie en tension, l'accélération nulle correspondant à une sortie moitié de la tension d'alimentation. II comporte un générateur de signaux triangulaires 32, un amplificateur 33 faisant filtre passe haut afin d'amortir les oscillations de l'asservissement d'équilibre et corriger les 25 déséquilibres, un ou deux comparateurs 35, pour générer le signal PWM de commande du pont en H 37 pour l'alimentation découpée du moteur 38 et enfin une batterie 39. Selon cet exemple de réalisation, sous chaque emplacement 30 de pied se situent deux capteurs polymères à résistance variable superposés. Le capteur 34 est un des deux capteurs du pied droit et 36 un des deux capteurs du pied gauche. 35 e. 2895359 7 Par ce circuit, la tension du point milieu n'est sensible qu'aux déplacements du centre de gravité de l'utilisateur, pas à son poids. Selon l'invention cette tension vient s'ajouter au signal 5 délivré par le capteur accélérométrique 31, la somme commande le moteur. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, le signal PWM de commande du moteur, sert aussi à découper le 10 signal délivré par le capteur de force, et à la réduire en proportion inverse de la vitesse moyenne. Selon un exemple de réalisation de l'invention, un transistor 312 atténue le signal du capteur de force en fonction de la vitesse et deux transistors 310 et 311 atténuent le signal du capteur aux faibles vitesses inférieures à 1 m/s. Selon un exemple préconisé de l'invention la plateforme comporte une sangle 14 figure 1 destinée à assurer la cohésion avec l'utilisateur. En cas de freinage, provoqué par une inclinaison forte de l'utilisateur en arrière, la sangle sert à maintenir les pieds de l'utilisateur en place. Selon un autre exemple de réalisation de l'invention figure 4 la plateforme comporte deux autres emplacements pour les pieds 41 et deux autres sangles, de telle sorte que l'utilisateur peut circuler en position surf. Selon cette version, l'utilisateur tourne en se penchant en avant et en arrière, accélère et ralenti en s'inclinant latéralement. Ce principe reprends l'ergonomie et l'équilibre du surf des neiges ou du surf aquatique. Selon cette version, la plateforme comporte aussi 4 capteurs 42 qui commande l'interruption momentanée de l'asservissement et 8 de la commande des moteurs, afin d'aider l'utilisateur à monter et à descendre de la plateforme, sans risquer un démarrage intempestif de celle-ci à la puissance maximum. Selon cette version, les capteurs sont par exemple du type résistance variable en fonction de la pression ou de simples switch à pression. Monter en position surf devient alors possible, l'asservissement étant rétabli au bout de quelques secondes, à la condition que l'utilisateur ai trouvé son équilibre sur la plateforme, ce qui est détecté à travers le poids mesuré sur la plateforme, à l'aides des autres capteurs FSR. Selon un exemple de réalisation de l'invention, différent composant permettent d'obtenir le résultat l'accéléromètre 31 figure 3 est : ADXL 103 de Analog Device. le capteur de force à polymere à résistance variable en fonction de la pression est du type FSR de la société Interlink Electronic. - Le moteur brushless est par exemple Cyclon car 2000 de la société Cyclon qui délivre 1 kw à 40 000 tours. - Le pilote du moteur est Flash pro car 100 de la même société. Le réducteur est HDUC14 de la société Harmonic drive Les batteries sont des batteries lithium ion polymère de 30 différents fournisseurs. Selon ce mode de réalisation; il est vérifié que Le piéton supporté par l'invention 35 - présente l'encombrement d'un piéton normal 9 - circule sur le trottoir à une vitesse de piéton, jusqu'à environ 7 km/h - circule sur la chaussée à une vitesse inférieure à 20 km/h - a l'agilité d'un piéton normal ou d'un patineur - circule sans effort - dispose de ses deux mains - porte ses vêtements et chaussures habituelles L'invention - est compacte, transportable et légère, par exemple dans un sac à dos -d'un poids inférieur à 7 kilogrammes - est rechargeable sur une prise de courant domestique, au moyen d'un chargeur adapté au type de batteries, ou grâce à l'ajout d'un combustible, pour une batterie à combustible, ou par panneau solaire intégré. - présente environ une heure d'autonomie, ou 14 km. L'équilibre de l'utilisateur est rendu indépendant de la vitesse de la plateforme au moyen de la modulation de la commande de rotation par l'appui des pieds, en fonction 25 inverse de la vitesse pour les vitesses supérieures à environ 1 m/s, et en proportion de la vitesse, pour les vitesses inférieures à environ 1 m/s. L'accéléromètre est du type silicium intégré à masselotte et 30 condensateur associé, et le capteur de force du type polymère à résistance variable en fonction de la pression. 20 Revendications 1) Support mobile électrique autonome destiné à transporter un piéton comportant : deux roues (11), deux moteurs électriques, 5 (38), une batterie, une plateforme (12) sur laquelle le piéton se tient debout, caractérisé en ce que qu'il se pilote exclusivement par les pieds et le déplacement du centre des appuis, au moyen de la combinaison : o d'une motorisation (38) qui maintien la roue à l'aplomb du centre de gravité de l'utilisateur associée à une électronique (Fig 3) qui pilote les moteur en fonction linéaire du signal délivré par un accéléromètre (13) longitudinal solidaire de la plateforme (12), et o d'une électronique (Fig 3) qui commande la vitesse d'une roue (11) en fonction de la force d'appui exercé par l'utilisateur sur la plateforme du coté opposé à cette roue, laquelle force est mesurée au moyen d'un capteur de force (21) situé sur la plateforme et sous l'appui du pied. 2) Support selon la revendication 1 caractérisé en ce que 25 l'équilibre de l'utilisateur est rendu indépendant de la vitesse de la plateforme au moyen de la modulation de la commande de rotation par l'appui des pieds, en fonction inverse de la vitesse pour les vitesses supérieures à environ 1 m/s, et en proportion de la vitesse, pour les vitesses inférieures à environ 1 m/s. 30 3) Support selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'accéléromètre est dur type silicium intégré à masselotte et condensateur associé, et le capteur de force du type polymère à résistance variable en fonction de la pression. 10 15 20