Brevet FR3085048A1 — publié le 20200221

SYSTÈME DE GUIDAGE DE NIVELLEMENT POUR ENGINS D'EXCAVATION OU DE TERRASSEMENT DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION [0001] L'invention se rapporte au domaine des systèmes de guidage en particulier pour engins d'excavation, plus particulièrement au guidage du nivellement des sols par des engins d'excavation ou de terrassement utilisant des lames de nivellement. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE [0002] Usuellement, pour niveler les sols lors d'un chantier, un laser rotatif est utilisé par un opérateur afin de définir un plan de nivellement qui sera exécuté par un engin d'excavation ou de terrassement au moyen d'une lame horizontale positionnée devant le châssis et les chenilles de l'engin, également appelé lame de nivellement. [0003] Plus précisément, la lame de nivellement comprend un tube positionné perpendiculairement à la lame, sur lequel est placé un capteur laser qui va détecter le faisceau du laser rotatif. [0004] L'opérateur de l'engin d'excavation ou de terrassement connaît la distance constante entre le capteur laser et le bord inférieur de la lame, il peut donc contrôler la position de la lame vis-à-vis du plan de nivellement défini par le laser rotatif. Ainsi on peut obtenir un nivèlement constant des sols, quel que soit le relief d'origine des sols. [0005] Néanmoins, ce système comprend des inconvénients majeurs, en particulier, de par l'utilisation d'un tube généralement soudé ou fixé sur la lame. [0006] En effet, en fonction du temps et de l'utilisation, l'axe du tube peut être modifié par plusieurs facteurs tels que : - des déformations causées par les chocs subis durant les travaux d'excavation ou de terrassement avec les matériaux déplacés - des vibrations créant une oscillation résultant de l'utilisation normale de l'engin, etc. 2 [0007] Cette modification de l'axe entraîne ainsi une impression dans le nivellement puisque celui-ci repose sur la distance constante et connue entre le bord inférieur de la lame et le capteur laser positionné sur le tube. [0008] En outre, ce système est particulièrement utilisé par les engins d'excavation 5 ou de terrassement de type tracteur à chenilles ou à roues, ou bouteur, communément appelé bulldozer. En effet, ce type d'engin d'excavation ne comprend pas de bras hydraulique devant la lame qui obstrue le champ de « vision » du capteur laser, [0009] Or pour diminuer les coûts, un engin muni d'un bras hydraulique est 10 généralement employé comme engin d'excavation ou de terrassement puisque celui-ci est plus polyvalent avec son bras articulé et peut se voir apposer une lame de nivellement devant son châssis au même titre qu'un bulldozer. EXPOSE DE L'INVENTION [0010]La présente invention a donc pour objet de proposer un système de guidage 15 de nivellement pour engins d'excavation ou de terrassement, permettant de pallier au moins une partie des inconvénients de l'art antérieur, en proposant une alternative plus fiable, précise, durable et résistante à des conditions extrêmes d'utilisation dans le temps que le tube muni d'un capteur laser et fixé à la lame de terrassement. 20 [00111A cet effet, l'invention concerne un système de guidage de nivellement pour engins d'excavation équipé : - un châssis (25) doté de roues ou de chenilles (201), - une cabine de pilotage (20) attachée sur le châssis (25), de préférence de façon pivotante 25 - un bras de support (21) également appelé bras principal, attaché de façon pivotante sur la cabine (20), - un bras de godet (22) également appelé balancier, ayant une première extrémité (221) et une deuxième extrémité (222), la première extrémité étant attachée de façon pivotante sur le bras de support (21) ou principal, - un outil d'excavation (23) ou de terrassement, attaché de façon pivotante sur la deuxième extrémité (222) du bras de godet (22) ou balancier, - une lame de terrassement (24), celle-ci est horizontale, positionnée devant le châssis et montée sur celui-ci de façon pivotante, et 5 - un système actionneur recevant des signaux de commande et permettant d'actionner le bras de support ou principal, le bras de godet ou balancier, l'outil d'excavation ou de terrassement et la lame de terrassement, caractérisé en ce que le système de guidage comprenant 10 - des dispositifs de détection de positions angulaires (30, 31, 32, 34) disposé les éléments mobiles de l'engin et configurée pour calculer la position angulaire par rapport à un même plan ou direction de référence, par exemple la verticale des différents éléments mobiles, - un dispositif de détection laser (4) situé sur le bras de godet et 15 comprenant un capteur laser configuré pour identifier et reconnaitre un plan de nivellement (1) défini par un laser rotatif (11), - un appareil de contrôle (10) configurer pour contrôler la position de la lame de terrassement en fonction des données en provenance des dispositifs de détection de positions angulaires (30, 31, 32, 34) et de 20 détection laser (4), et donner une instruction à l'opérateur afin que la lame de terrassement suit le plan de nivellement défini (1). [0012]Selon une particularité, le système comprend plusieurs dispositifs de détection de positions angulaires placés respectivement le bras de support, sur le bras de godet, sur la lame de terrassement et sur la cabine (20) lorsque celle-ci est 25 pivotante [0013] Selon une autre particularité, le dispositif de détection laser et le dispositif de détection de position angulaire sont réunis en unique dispositif de détection combinant capteur d'angle et capteur laser. [0014] Avantageusement, le capteur laser du dispositif de détecteur de laser est de 30 préférence une cellule de réception linéaire incluant des photodiodes alignées 4 permettant de recueillir des données représentatives de la détection de hauteur du plan de nivellement de référence. [0015] Selon une particularité, les dispositifs de détection de positions angulaires, et le dispositif de détection laser comprend une alimentation embarquée et un 5 module de communication sans fil configurer pour communiquer et transmettre des données à l'appareil de contrôle, lui-même équipé d'un module de communication sans fil. [0016]Selon une autre particularité, le dispositif de détection positionner sur la cabine est combiné avec l'appareil de contrôle. 10 [0017] Avantageusement, l'appareil de contrôle comprend un écran, des touches de commandes, une mémoire, un module de communication, un module de calcule, le module de calcule étant configurer pour connaitre l'emplacement de la lame de terrassement vis-à-vis du plan de nivellement défini et d'afficher sur l'écran, les indications relatives au mouvement de la lame à effectuer pour conserver la position 15 verticale en profondeur (D) à la valeur souhaitée. [0018] Selon une particularité, l'alimentation embarqué des dispositifs de détection est une ou plusieurs batteries rechargées par des cellules photovoltaïques. [0019]Un autre objet de la présente demande est l'utilisation d'un système de guidage selon l'invention pour le nivellement ou le terrassement d'un sol au moyen 20 d'un engin d'excavation ou de terrassement. [00201 Un troisième objet de la présente demande est un engin de chantier disposant un système de guidage pour le nivellement ou le terrassement d'un sol selon l'invention BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES 25 [0021] D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit en référence aux figures annexées, sur lesquelles - la figure 1, représente un engin d'excavation équipé du système de guidage selon l'invention, la figure 2, représente un système selon l'invention de guidage de nivellement, qui utilise la relation entre les angles détectés, la position verticale en profondeur de la lame de l'engin d'excavation et du plan laser de nivellement 5 DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE DIFFÉRENTS MODES DE RÉALISA I ION DE L'INVENTION [0022] De nombreuses combinaisons peuvent âtre envisagées sans sortir du cadre de l'invention ; l'homme de métier choisira l'une ou l'autre en fonction des contraintes 10 économiques, ergonomiques, dimensionnelles ou autres qu'il devra respecter. [0023] En référence aux figures 1 à 2, le système selon l'invention permet de recueillir des données de position relative aux différents organes articulés d'un engin de travaux tel qu'une pelleteuse. Le système s'applique aux engins d'excavation et/ou de terrassement et plus généralement à tout engin nécessitant 15 un contrôle de la profondeur d'un outil de travail et en particulier d'une lame de terrassement. Dans ce qui suit et de manière non limitative, la description fait référence à un engin d'excavation. [0024] Typiquement, ce type d'engin (2) comprend : - un châssis (25) doté de roues ou de chenilles (201), 20 - une cabine de pilotage (20) attachée de façon pivotante sur le châssis (25), - un bras de support (21) également appelé bras principal, attaché de façon pivotante sur la cabine (20), - un bras de godet (22) également appelé balancier, ayant une première extrémité (221) et une deuxième extrémité (222), la première extrémité étant 25 attachée de façon pivotante sur le bras de support (21) ou principal, - un outil d'excavation (23) ou de terrassement par exemple un godet, attaché de façon pivotante sur la deuxième extrémité (222) du bras de godet (22) ou balancier, 6 - une lame de terrassement (24), celle-ci est horizontale, positionnée devant le châssis et montée sur celui-ci de façon pivotante, et - un système actionneur recevant des signaux de commande et permettant d'actionner le bras de support ou principal, le bras de godet ou balancier, l'outil d'excavation ou de terrassement et la lame de terrassement. Les signaux de commande sont initiés via une cabine de pilotage. [0025] Les données de position relative aux différents organes articulés (20, 21, 22, 24) d'un engin excavation sont des données de position angulaire par rapport à un même plan ou direction de référence, par exemple la verticale. 10 [0026] Ces données de position angulaire peuvent être générées par des modules électroniques à capteur de position angulaire par exemple un accéléromètre à au moins deux axes, situé dans des dispositifs de détection de positions angulaires (30, 31, 32, 34), par exemple le dispositif XD467 de chez BRIDGIN (France). [0027] Dans un mode de réalisation, chaque dispositif de détection (30, 31, 32, 34) 15 détermine sa position angulaire intrinsèque par rapport à la verticale. [0028] Dans un mode de réalisation, le dispositif de détection (30) disposé sur la cabine (20) possède trois capteurs angulaires et fournit ainsi le roulis et le lacet en supplément de sa position angulaire intrinsèque par rapport à la verticale [0029] Pour s'affranchir des câbles qui peuvent être endommagés durant l'utilisation 20 de l'engin d'excavation et rendre plus rapide et facile l'installation du système de guidage, les données de positions angulaires de chaque capteur sont avantageusement traitées par un module de traitement et envoyées à l'aide d'un module de communication sans fil inclus dans chaque dispositif de détection, par exemple dans un message radio, Bluetooth, wifi, IR. Toute autre communication à 25 courte ou moyenne distance sans fil peut être utilisée. [0030] Dans un mode de réalisation, lorsque le dispositif de détection de position angulaire (30) située sur la cabine fournit les trois angles susmentionnés, un moyen 7 de communication filaire peut être utilisé en lieu et place de la communication radio, étant donné sa proximité avec l'appareil de contrôle (10). [0031J Dans certains modes de réalisation, le dispositif de détection (30) positionner sur la cabine (20) peut être combiné avec l'appareil de contrôle (10). 5 [00321Dans un mode de réalisation, chaque dispositif de détection de positions angulaires (30, 31, 32, 34) comprend une source d'alimentation embarquée permettant d'être autonome et éviter ainsi les fils. Une telle source peut être par exemple une ou plusieurs batteries rechargées par des cellules photovoltaïques. [0033] Comme illustré sur la figure 1, le système de guidage de nivellement 10 comprend plusieurs dispositifs de détection de positions angulaires (30, 31, 32, 34) placés respectivement sur la cabine, le bras de support, sur le bras de godet, et sur la lame de terrassement. [0034] En outre, le système comprend également un dispositif de détection laser (4) situé sur le bras de godet et comprenant un capteur laser configure pour identifier 15 et reconnaitre un plan de nivellement (1) défini par un laser rotatif (11). À titre d'exemple non limitatif, on peut utiliser le dispositif XD461 de chez BRIDGIN (France) comprenant des photocellules de type BPW34S. [0035]Au même titre que les dispositifs de détection de positions angulaires (30, 31, 32, 34), le dispositif de détection laser (4) comprend une alimentation 20 embarquée et un module de communication sans fil. [00361Dans un mode de réalisation, le dispositif de détection laser (4) et le dispositif de détection de positions angulaires (32) positionnés sur le bras de godet sont réunis en unique dispositif de détection combinant capteur d'angle et capteur laser. [0037] La pose de chaque dispositif détecteur (30, 31, 32, 34 et 4) peut être 25 effectuée selon une direction privilégiée de l'organe articulé servant de support au dispositif détecteur. Les angles respectifs servant à déterminer la profondeur atteinte par la lame de terrassement (24) peuvent ainsi être connus dans la mesure où la position angulaire de chaque capteur (30, 31, 32, 34 et 4) par rapport au bras 8 (21, 22) / cabine (20), châssis (25) / lame (24) qui le supporte est un paramètre connu. [0038] Le capteur laser du dispositif de détecteur de laser (4) est de préférence une cellule de réception linéaire incluant des photodiodes alignées permettant de 5 recueillir des données représentatives de la détection de hauteur du plan de nivellement (1) de référence (pour départ et/ou pour correction de dérives). La linéarité du récepteur laser permet de capter le faisceau sur une plus grande hauteur, et par conséquent de ne pas ajuster en permanence la position du dispositif détecteur laser (4) lors du cheminement de la machine pendant le nivellement. 10 [0039] La position du capteur laser sur le bras de godet (22) ou balancier est essentielle. En effet, en bougeant de manière coordonnée les bras 21 et 22 peuvent faire bouger de sorte que le capteur laser se déplace dans la verticale sans autre déviation, ceci résulte du fait que la deuxième extrémité (222) du bras de godet n'est pas en contact avec un autre élément articulé lui-même en en contact permanent 15 avec le sol. [0040] Dans un mode de réalisation, une photodiode intermédiaire peut être considérée comme un capteur de référence et les photodiodes placées plus haut, respectivement plus bas par rapport à cette référence sont chacune associées à un incrément, respectivement un décrément d'ajustement en hauteur. 20 [0041 ]Alternativement, un récepteur à bas coût et moins précis peut disposer simplement d'une cellule non linéaire, avec éventuellement un système de lentille pour augmenter la zone de détection. L'une ou l'autre de ces options peuvent être retenues selon les besoins. [0042] Dans un mode de réalisation économique lorsque le sol comprend un relief 25 parallèle au plan de nivellement (1), ce qui est notamment le cas lorsqu'il y a déjà eu un premier nivellement, le dispositif de capteur d'angle (30) situé sur la cabine n'est pas indispensable puisque celui-ci est coplanaire au plan de nivellement (1) de référence. 9 [0043] Dans un autre mode de réalisation, le capteur d'angle de la cabine (30) peut être remplacé par un inclinomètre ou tout autre capteur analogue permettant de déterminer l'inclinaison du sol. Un tel capteur autorise le nivellement d'un plan incliné. A cet effet, le plan laser (1) doit âtre toujours coplanaire au plan de 5 nivellement. Dans ce même cas, le capteur est mis à contribution pour détecter la direction de la pente du plan incliné par rapport à la cabine (lacet). [0044] En outre, ce capteur positionné sur la cabine peut également être utilisé, pour mesurer l'angle de rotation entre la cabine et le châssis, permettant au conducteur de réaliser le nivelage en maintenant sa cabine dans une position non alignée avec 10 le châssis et améliorant ainsi la visibilité de l'opération. Une fonction logicielle dans l'appareil de contrôle (10) autorise la modification de cet angle pendant la réalisation du nivellement. [0045] Chaque module de communication sans fil des détecteurs (30, 31, 32, 34 et 4) envoie les informations issues des modules de traitement vers un récepteur sans 15 fil d'un appareil de contrôle qui fournit à l'opérateur des indications visuelles au travers d'un écran, facilitant le pilotage de la lame de terrassement (24). L'appareil de contrôle dispose alors de tous les paramètres nécessaires au calcul de la position de la lame de terrassement (24) et des données relatives au bras de support (21), au bras de godet (22), à l'orientation de la cabine (20) et du châssis 20 (25). [0046] La figure 2 illustre la relation entre les angles (A1, A2, A3 et AC) par rapport à la position horizontale et la position verticale en profondeur (D) de la lame de terrassement de l'engin d'excavation. Les angles illustrés se déduisent des données de position par rapport à la verticale fournie par les capteurs d'angle. Les distances 25 verticales associées à chacun des organes articulés de l'engin peuvent se calculer comme suit : - V1 = longueur du bras support (21) * sin(A1), - V2 longueur entre le dispositif de détection laser (4) et la première extrémité (221) du bras de godet (22) * sin(A2), lorsque le détecteur laser est correctement positionné sur le plan de nivellement (1) de référence, 10 - V3 = longueur de la lame de terrassement (24) * sin(A3), VC = distance entre le départ du bras de support et le départ de la lame de terrassement * sin (AC). [0047] La distance verticale de nivellement effective D se calcule grâce à l'équation 5 D = DR - (V1 + V2 + V3 + VC) des distances verticales, les composantes de cette somme sont des distances relatives, dans l'exemple de la figure 2, la distance V1 est négative. [0048] Une fois la profondeur désirée DR paramétrée dans l'appareil de contrôle, l'appareil de contrôle peut déterminer la différence de profondeur D de la lame de 10 terrassement par rapport à la profondeur de référence. [0049] Dans un autre mode de réalisation, les calculs sont réalisés à l'aide de vecteurs à trois dimensions. Ces vecteurs sont calculés à l'aide de matrices de rotations et de translations, construites à partir respectivement des angles capteurs et de la longueur de chaque élément mobile. Le vecteur de position du récepteur 15 laser et le vecteur de position de la lame permettent de déterminer la distance D à l'aide de la distance DR. [0050] Le module de calcul de l'appareil de contrôle (10) peut utiliser la position de la lame calculée (la distance D donne la profondeur effective atteinte par la lame) pour déterminer une consigne d'ajustement vertical de la lame : une valeur positive 20 pour une lame trop haute, et une valeur négative pour une lame trop basse. Une valeur égale à zéro signifie que la lame est sur le plan de référence. Le module de calcul délivre ainsi un signal représentatif de ladite consigne à destination de l'écran d'affichage, flèche vers le bas pour baisser la lame (24), trait horizontal pour maintenir la position, et flèche vers le haut pour rehausser la lame (24), Une de ces 25 icônes est par exemple sélectionnée et affichée en fonction de la valeur D calculée. [0051]L'appareil de contrôle (10) comporte une mémoire pour stocker le paramètre de profondeur de référence. Le module de calcul permet par exemple de calculer une consigne de mouvement vertical de la lame par utilisation de données de 11 position angulaire fournies par les dispositifs détecteurs et du paramètre de profondeur de référence DR. [0052] Dans la cabine, l'appareil de contrôle peut se présenter sous la forme d'un boîtier compact doté de touches de commandes et d'un écran LCD ou analogue 5 facilitant notamment les opérations de paramétrage (les fonctions pouvant être affichées). Un afficheur séparé et contrôlé par le boîtier peut être prévu pour indiquer la consigne visuelle. L'utilisateur peut contrôler dans son champ de vision habituel les indications relatives au mouvement de la lame à effectuer pour conserver la distance D à la valeur souhaitée. Cet afficheur de cabine peut être situé 10 dans un boîtier qui incorpore l'interface de communication sans fil. La réception ainsi que l'émission radio sont gérées par cette interface de communication. L'émission radio en provenance de la cabine peut servir notamment à synchroniser les signaux émis par les dispositifs, à donner un identifiant, à demander des statuts par exemple le niveau de charge batterie, et peut également servir pour la maintenance (mise à 15 jour de logiciel embarqué, demande de version, et opérations de suivi similaires). [00531On comprendra aisément à la lecture de la présente demande que les particularités de la présente invention, comme généralement décrites et illustrées dans les figures, peuvent être arrangées et conçues selon une grande variété de configurations différentes. Ainsi, la description de la présente invention et les figures 20 afférentes ne sont pas prévues pour limiter la portée de l'invention, mais représentent simplement des modes de réalisation choisis. [0054] L'homme de métier comprendra que les caractéristiques techniques d'un mode de réalisation donné peuvent en fait être combinées avec des caractéristiques d'un autre mode de réalisation à moins que l'inverse ne soit explicitement mentionné 25 ou qu'il ne soit évident que ces caractéristiques sont incompatibles. De plus, les caractéristiques techniques décrites dans un mode de réalisation donné peuvent être isolées des autres caractéristiques de ce mode à moins que l'inverse ne soit explicitement mentionné. [0055] Il doit être évident pour les personnes versées dans l'art que la présente 30 invention permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans l'éloigner du domaine défini par la protection demandée, ils doivent 12 être considérés à titre d'illustration et l'invention ne doit pas être limitée aux détails donnés ci-dessus. 13