Brevet FR2913507A1 — publié le 20080912

PROCEDE DE PILOTAGE D'UN :FAUTEUIL ROULANT La présente invention concerne un procédé de pilotage 5 d'un véhicule tel qu'un fauteuil roulant. Il existe des procédés de pilotage de fauteuil roulant, ce dernier comprenant deux roues motrices différentielles espacées l'une de l'autre d'une distance fixe, un dispositif de commande manuelle adapté permettant à un 10 utilisateur de piloter le fauteuil en donnant une première consigne pour la vitesse linéaire du fauteuil et une seconde consigne pour sa vitesse angulaire, et des capteurs disposés à la périphérie du fauteuil et adaptés à déterminer la présence d'obstacle dans l'environnement 1:5 proche du fauteuil. Dans les procédés classiques de pilotage, soit le pilotage du fauteuil roulant est manuel auquel cas il est commandé par l'utilisateur au moyen du dispositif de commande manuelle, soit il est automatique auquel cas il 20 est commandé par un système dynamique de commande en fonction d'une destination préalablement entrée à l'aide d'une interface utilisable par un utilisateur, système tenant compte des obstacles se trouvant dans l'environnement du fauteuil roulant, les moyens de commande 2.5 manuelle étant par ailleurs inopérants. La demande de brevet français FR 2 660 454 divulgue un procédé fonctionnant en mode automatique et commandé par un système utilisant comme repousseur les différents obstacles détectés par les capteurs du fauteuil roulant, et comme 30 attracteur la destination entrée à l'aide de l'interface. Dans le cas où les obstacles empêchent le fauteuil roulant de poursuivre son itinéraire, ce dernier s'arrête et le système passe en mode manuel. La présente invention vise à réaliser un procédé de commande permettant à l'utilisateur d'avoir une influence sur le déplacement du fauteuil roulant tout en conservant les avantages des systèmes de commande en mode automatique, notamment en ce qui concerne l'évitement des obstacles. Selon l'invention, dans le procédé de pilotage, le déplacement du fauteuil est déterminé en l'absence d'obstacle, uniquement à partir des consignes du dispositif de commande manuelle, et, lorsqu'au moins un obstacle est détecté, par le système dynamique de commande en fonction, d'une part, de l'emplacement de l'obstacle considéré comme un repousseur, et, d'autre part, des consignes du dispositif de commande manuelle considérés comme des attracteurs. Ainsi, selon l'invention, l'attracteur utilisé dans le système dynamique de commande n'est pas une donnée entrée préalablement au déplacement du fauteuil roulant, mais une donnée dynamique, variant dans le temps, comme si le système fonctionnait en mode manuel. En fait, le procédé de pilotage selon l'invention est un procédé d'assistance automatique au pilotage manuel d'un fauteuil roulant. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description d'un mode de réalisation détaillé donné à titre d'exemple non limitatif 2.5 et illustré par les dessins mis en annexe dans lesquels : La figure 1 est une vue schématique d'un fauteuil roulant vu de dessus, dans un environnement sans obstacle, le fauteuil étant représenté au début d'une phase de pilotage conforme au procédé selon la présente invention, 30 La figure 2 est une vue similaire à la figure 1, le fauteuil étant représenté à la fin de la phase de pilotage, La figure 3 est une vue similaire à la figure 1, le fauteuil représenté au début d'une phase de pilotage, étant à proximité d'un obstacle, et La figure 4 est une vue similaire à la figure 3, le fauteuil étant représenté en cours de la phase de pilotage. Un véhicule d'aide au déplacement 1 (en l'occurrence un fauteuil roulant 1) comprend deux roues motrices espacées l'une de l'autre d'une distance fixe Odg. Ces deux roues motrices sont différentielles, ce qui signifie que chacune d'elles est entraîné par un moteur qui lui est propre, ce qui permet au véhicule 1 de pouvoir effectuer des rotations sur lui même. En outre, à chaque roue motrice est également associé un codeur incrémental permettant de déterminer précisément sa vitesse. Le véhicule 1 comprend également un dispositif de commande manuelle adapté permettant à un utilisateur de piloter le fauteuil en donnant une première consigne Jy pour la vitesse linéaire du véhicule v et une seconde consigne JX pour sa vitesse angulaire En d(l) dt l'occurrence, ce dispositif est un joystick dont la position par rapport à un premier axe y génère la consigne de la vitesse linéaire J},, et dont la position par rapport au second axe x, perpendiculaire au premier axe y, génère la consigne de la vitesse angulaire Jx. 2.5 De plus, le véhicule 1 comprend également des capteurs 2 qui sont disposés à sa périphérie (de préférence régulièrement répartis) et qui sont adaptés à déterminer la présence d'obstacles 3 dans l'environnement proche 4 du véhicule 1. 30 Le procédé de pilotage du véhicule conforme à la présente invention est un procédé d'assistance automatique au pilotage manuel, ce qui signifie qu'il y a constamment un couplage entre l'influence du dispositif de commande manuelle et celui des capteurs, et non pas deux modes de pilotage, l'un manuel, l'autre automatique. De façon plus précise, en l'absence d'obstacle 3 détecté (cf. figures 1 et 2), le déplacement du véhicule 1 est déterminé par le système dynamique de commande uniquement à partir des consignes du dispositif de commande manuelle Jx(t), JY(t). Et lorsqu'au moins un obstacle 3 est détecté (cf. figures 3 et 4), le déplacement du véhicule 1 est déterminé en fonction de l'emplacement de l'obstacle 3 et de ces mêmes consignes Jx(t), JY(t), la direction selon laquelle est vu l'obstacle 3 étant prise par le système dynamique de commande comme un repousseur et les consignes comme définissant deux attracteurs (un pour la vitesse angulaire, l'autre pour la vitesse angulaire). En l'absence d'obstacle 3, les vitesses linéaire v et angulaire d(l) du véhicule 1 sont données directement par dt les consignes correspondantes J,,, Jx. En l'occurrence, les formules reliant les vitesses aux consignes sont les suivantes : Jy(t) = v(t) et Jx(t) = Ainsi, en absence d'obstacle 3, le procédé d'assistance à la commande manuelle agit comme un procédé de pilotage classique fonctionnant en mode manuel. Comme on peut le voir aux figures 1 et 2, en absence d'obstacle 3, un véhicule 1 ayant initialement un cap 5 (figure 1) est déplacé naturellement de sorte que son cap 5 s'aligne avec la direction 6 souhaitée par l'utilisateur et exprimée au moyen du dispositif de commande manuelle (figure 2). d- d t: Dès qu'un obstacle 3 est détecté par un capteur (2), le déplacement du véhicule va en être influé. En l'occurrence, les vitesses linéaire v et angulaire dcro du véhicule 1 dt sont alors déterminées en fonction de deux équations différentielles résolvables indépendamment l'une de l'autre. Ces deux équations sont résolues par une formule d' Euler du ter ordre. Dans le présent mode de réalisation, l'équation différentielle relative à la vitesse linéaire est fonction 10 de la distance de l'obstacle 3 le plus proche dobs,min(t) Cette fonction est la suivante dV ù 1 (V(t) ù Oobsdobs,min(t))' lobs dt robs \ paramètres prédéterminés. L'équation différentielle relative à la vitesse 15 angulaire, quant à elle, est fonction de la distance dobs,i et de la position angulaire `1'obs,i de l'obstacle 3, et ceci pour chaque capteur 2. Cette équation est la suivante et Oobs étant deux de _ fobs,i(t) + f ible (t) dt i=làNTobs, i (t) étant la contribution répulsive générée par l'obstacle 3 détecté par le capteur 2 20 référencé i, et fcible(t) étant la contribution attractive générée par la consigne JX de la vitesse angulaire. De façon plus précise, la contribution répulsive de l'obstacle 3 par rapport au capteur 2 indicé i est donnée par la formule suivante fobs,i(t) _ /lobs,i(t) X 4(t) ù ~obs,i(t)) exp/ù (1)(t) ù Pobs,i(t)1 \ ( 25 261 t) lobs, i (t) étant l'intensité de la répulsion générée par l'obstacle 3 et 6i(t) étant la largeur angulaire de l'influence de cet obstacle 3. L'une et l'autre de ces deux fonctions dépendant de la distance dobs,i séparant le véhicule 1 à l'obstacle 3. Par exemple, l'intensité de répulsion peut être donnée par la formule 2obs,i(t) _ A exp ( dobs,i(t)\ fj2 étant l'intensité maximale de répulsion, et %'2 déterminant la décroissance de l'intensité de répulsion en fonction de la distance dobs,i séparant le véhicule 1 à l'obstacle 3, et la largeur angulaire de l'influence peut être donnée par la formule 6i(t)=arctan tan +ù Rv Ae étant la 2 R, +dobri(t), projection de la sensibilité angulaire des capteurs 2 utilisés dans le plan de déplacement du véhicule 1, et R, étant le rayon du véhicule 1, celui-ci étant assimilé à un disque (cf. figures 1 à 4). La contribution attractive générée par la consigne de la vitesse angulaire Jx est donnée par la formule suivante : fcible (t) -cible sin(JX(t)Ot), ~cib1e étant un paramètre prédéterminé donnant l'intensité de l'attraction et At étant la durée du cycle du code informatique. La direction souhaitée 6 par l'utilisateur a une valeur angulaire cible définie par rapport à la position angulaire C du véhicule selon la formule `lic,ble(t)= +Jx(t)At dont dépend la contribution attractive fcible selon la formule /cible (t) = -cible Sln( 1 ù cible (t)) Ainsi, en présence d'un obstacle 3, le procédé d'assistance à la commande manuelle agit comme un procédé de pilotage fonctionnant en mode automatique, la différence résidant dans la nature de l'attracteur qui n'est plus un couple de coordonnées physiques entré préalablement, mais la consigne provenant du dispositif de commande manuelle. Les ordres de grandeur des différents paramètres utilisés dans les différentes équations différentielles respectent les mêmes règles que celles employés dans les systèmes de commande automatique, notamment en ce qui concerne les rapports relatifs d'intensité entre les repousseurs et l'attracteur. Comme on peut le voir aux figures 3 et 4, en présence d'un obstacle 3, un véhicule 1 ayant initialement un cap 5 (figure 3) est déplacé du fait des consignes J,, JX du dispositif de commande manuelle définissant une direction souhaitée 6, dans le sens d'un alignement de ce cap 5 avec la direction souhaitée 6. Toutefois, la présence de l'obstacle 3 dans cette direction souhaitée 6 modifie le déplacement du véhicule qui évite l'obstacle 3 tout en répondant aux consignes J,,, JX . Ainsi, le procédé permet d'aider l'utilisateur dans sa tâche de navigation, au lieu de le remplacer. Les avantages d'un tel procédé sont que le dispositif de commande manuel demeure actif pendant un évitement d'obstacle, et, en particulier, il est possible d'effectuer une marche arrière bien que le procédé soit en train d'opérer l'évitement d'un obstacle 3 vers l'avant. D'une façon générale, l'utilisateur a toujours une possibilité de manoeuvre plus ou moins importante, variant dans le temps, suivant l'environnement 4 perçu et les commandes appliquées au dispositif de commande manuelle (les commandes appliquées par l'utilisateur s'expriment plus intensément si elles permettent de s'éloigner des obstacles 3 détectés). En outre, l'évitement est opérationnel aussi bien en marche avant qu'en marche arrière, à la condition que des capteurs 2 soient uniformément répartis à la périphérie du véhicule 1. d~ Connaissant les vitesses linéaire v et angulaire dt du véhicule 1, le déplacement de ce dernier est facilement commandé via la mise en rotation des deux roues motrices dont les vitesses respectives vd(t), vg(t) sont déterminées selon les deux formules suivantes : v(t) = (vd(t) + vg(t)) / 2 et dçl) (vd(t) - vg (t)) /(2Adg) . Il serait possible d'utiliser le procédé faisant l'objet de la présente invention à des véhicules autres que des fauteuils roulants, utilisés pour aider les personnes à se déplacer, et, en général ne pouvant atteindre que des vitesses relativement faibles. dt REVENDICATIONS 1. Procédé de pilotage d'un véhicule (1) d'aide au déplacement, le véhicule (1) comprenant deux roues motrices différentielles espacées l'une de l'autre d'une distance fixe (Adg), un dispositif de commande manuelle adapté permettant à un utilisateur de piloter le véhicule (1) en donnant une première consigne (Jy) pour la vitesse linéaire (v) du véhicule (1) et une seconde consigne () 10 pour sa vitesse angulaire (dom ), et des capteurs (2) dt disposés à sa périphérie et adaptés à déterminer la présence d'obstacle (3) dans son environnement proche (4), caractérisé en ce que le déplacement du véhicule (1) est déterminé en l'absence d'obstacle (3), uniquement à partir 15 des consignes (Jx,J},) du dispositif de commande manuelle, et, lorsqu'au moins un obstacle (3) est détecté, par le système dynamique de commande en fonction, d'une part, de l'emplacement de l'obstacle (3) considéré comme un repousseur, et, d'autre part, des consignes (Jx,JY) du 20 dispositif de commande manuelle considérées comme des attracteurs. 2. Procédé de pilotage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'en l'absence d'obstacle (3), les vitesses linéaire (v) et angulaire (d) du véhicule (1) dt 25 sont données directement par les consignes correspondantes (J,,, Jx) selon les formules suivantes : Jy (t) = v(t) dl) et Jx (t) _ dt 3. Procédé de pilotage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'en présence d'obstacle (3), lesvitesses linéaire (v) et angulaire (dom ) dt sont déterminées en fonction de différentielles résolvables indépendamment par une formule d'Euler du ter ordre. 4. Procédé de pilotage selon la caractérisé en ce que l'équation différentielle relative à la vitesse linéaire (v), fonction de la distance de l'obstacle le plus proche (dobs,mif(t)) , est la suivante : du véhicule (1) deux équations l'une de l'autre revendication 3, dv = ù 1 (V(t) ù Oobsdobs,min(t)) robs et robs \ ` f dt Oobs étant deux paramètres prédéterminés. 5. Procédé de pilotage selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que l'équation différentielle relative à la vitesse angulaire dcl) ( dt ) ' fonction de la distance (dobs,i ) et de la position angulaire (qfûbs,,) de l'obstacle détecté 15 par le capteur (2) d'indice i, est la suivante : = fobs,i(t) + fcible(t), fobs,i(t) étant la contribution répulsive générée par l'obstacle (3) détecté par le capteur (2) d'indice i, et f,ibie(t) étant la contribution attractive générée par la consigne (J,,) de la vitesse 20 angulaire. 6. Procédé de pilotage selon la revendication 5, caractérisé en ce que la contribution répulsive de l'obstacle (3) détecté par le capteur (2) d'indice i est donnée par la formule suivante : dt dt fobs,i(t) = 2obs,i(t) x 4(t) ù iobs,i(t)) exp / ((D(t) ù `robs,i (t))2 261(t) /lobs, i (t) 25 étant l'intensité de la répulsion générée parl'obstacle (3) et ai(t) étant la largeur angulaire de l'influence de cet obstacle (3). 7. Procédé de pilotage selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'intensité de répulsion générée par 5 l'obstacle est donnée par la formule suivante : kbs,i(t) = /31 exp- dobs,i(t)\ , /31 étant l'intensité maximale de N2 / répulsion, et /32 déterminant la décroissance de l'intensité de répulsion en fonction la distance (dobs,i) séparant le véhicule (1) à l'obstacle (3). 10 8. Procédé de pilotage selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la largeur angulaire de l'influence de l'obstacle est donnée par la formule suivante : O0 R 6;(t)=arctan tan + , A étant la projection de la 2 R, + dons,1(t)) sensibilité angulaire des capteurs (2) utilisés dans le 1.5 plan de déplacement du véhicule (1), et R, étant le rayon du véhicule (1), celui-ci étant assimilé à un disque. 9. Procédé de pilotage selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que la contribution attractive de la consigne de la vitesse angulaire est donnée par la formule 20 suivante : fcible(t) _ -2cible sin(JX(t)At), 2cible étant un paramètre prédéterminé donnant l'intensité de l'attraction et At étant la durée du cycle du code informatique. 10. Procédé de pilotage selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le déplacement 25 du véhicule 1 est commandé par les vitesses respectives des deux roues motrices (vd(t), vg(t)) à partir des vitesses linéaire (v) et angulaire (dom ) selon les formules dt suivantes : v(t) = (vd(t) + vg(t)) / 2 et el) _ (vd(t) - vg(t)) /(2Adg) .