Brevet FR3131874A1 — publié le 20230721

L’invention se rapporte à un pédalier, comprenant un générateur de retour haptique (15) connecté au pédalier (14) et configuré pour délivrer un couple résistif sur le pédalier (14) ; caractérisé en ce qu ’une unité de contrôle haptique (19) régule la cadence de consigne en estimant une puissance appliquée sur le pédalier (14) par sa mise en rotation et en diminuant ou augmentant la cadence de consigne de sorte que ladite cadence de consigne augmente avec la puissance appliquée sur le pédalier (14). Figure pour l’abrégé : Fig. 3 PÉDALIER À GÉNÉRATEUR DE RETOUR HAPTIQUE La présente invention se rapporte à un pédalier comportant un générateur de retour haptique permettant le contrôle de la cinématique, par régulation d’un retour haptique spécifique. Un tel pédalier peut équiper des appareils d’exercice fixes à pédalier ou des véhicules à propulsion électrique, tels que les vélos ou les cycles, et en particulier les vélomobiles à châssis fermé ou semi-fermé. Ainsi, l’invention concerne le domaine technique du transport terrestre et peut être mise en œuvre pour des véhicules de loisir, de sport ou utilitaires, par exemple pour des véhicules de livraison. Le pédalier selon l’invention peut aussi être utilisé dans le domaine de l’exercice physique dans un appareil d’exercice à pédalier de type vélo d’appartement ou vélo elliptique. Art Antérieur Les vélomobiles sont des véhicules hybrides, combinant des aspects d’une voiture de petite taille et ceux d’un vélo couché. Ce sont des véhicules pressentis pour remplacer les voitures individuelles dans les zones urbaines. Les vélomobiles représentent une alternative bien plus économique et écologique à la voiture électrique. En effet, les cycles de type vélomobile sont des véhicules de taille réduite, et donc relativement légers. On peut notamment distinguer d’une part les vélomobiles de poids et volume faibles, qui s’apparentent essentiellement à un vélo couché équipés d’une carrosserie, et d’autre part des vélomobiles de poids et volume plus importants, se rapprochant de la voiture de petite taille. Les vélomobiles de poids et volume faible peuvent peser moins de 50 kg, typiquement entre 30 et 50 kg. Ces vélomobiles peuvent être soit à propulsion exclusivement musculaire, soit comporter une assistance électrique, notamment pour l’aide en montée. La puissance de l’assistance électrique s’élève à quelques centaines de Watts, typiquement 200 à 300 W. Leur vitesse est relativement faible, inférieure ou proche de 25 km/h. Ces vélomobiles sont prévus pour emprunter les pistes et voies réservées aux cycles. Les vélomobiles de poids et volume importants pèsent généralement plusieurs centaines de kilogrammes. La propulsion de ces vélomobiles se fait de façon préférentiellement électrique, leur pédalier n’étant alors présent que pour le contrôle de l’accélération et éventuellement pour la recharge d’une batterie alimentant le moteur électrique du vélomobile. La propulsion électrique se fait au moyen d’un ou plusieurs moteurs avec une puissance totale de plusieurs kilowatts. Leur vitesse est relativement élevée, la plupart des modèles étant conçus pour circuler à 80-120km/h. Ces vélomobiles circulent sur les voies automobiles, comme une automobile classique. Le document EP3154815 décrit par exemple un tel véhicule. La légèreté de ces vélomobiles leur permet, à poids d’emport de batteries égal, d’avoir une plus grande autonomie par rapport à une voiture électrique. Le contrôle de la vitesse peut être effectué par le conducteur au moyen du pédalier. La consigne appliquée au moteur de propulsion est par exemple fonction de la cadence de rotation du pédalier, et elle est déterminée afin que le moteur accélère la rotation de la roue par le couple moteur qu’il génère. Le mécanisme interne du pédalier exerce généralement un couple résistif, sensiblement opposé au couple exercé par l’utilisateur. On connaît des documents EP3408168 et EP1165188 des procédés de contrôle du moteur électrique reposant sur la modélisation d’une inertie, modélisant l’accélération avec, par exemple, la prise en compte d’un volant d’inertie prédéterminé ou le comportement d’un pédalier mécanique usuel de bicyclette. Ces dispositifs ne sont notamment pas adaptés au pilotage de véhicules type vélomobile circulant à haute vitesse, du fait qu’ils exigent soit une cadence de pédalage élevée qui est ressentie comme désagréable soit un nombre de rapports élevé impliquant une transmission et une utilisation complexes. Ces dispositifs génèrent une accélération du véhicule et un couple de résistance proportionnels à l’accélération exercée par l’utilisateur sur le pédalier, et proposent la modélisation d’une inertie de référence correspondant à des pédaliers et cycles connus, avec un étalement des valeurs de vitesse de véhicule piloté permettant d’atteindre des vitesses élevées. L’accélération sur le pédalier est calculée par double dérivation temporelle, ce qui implique des calculs compliqués et consommateurs de temps de calcul, et notamment reposant sur une cadence mesurée à haute fréquence et/ou sur une plage temporelle importante. Il en résulte qu’il faut surdimensionner la puissance de calcul de l’unité de contrôle sans quoi un décalage entre les variations de la cadence de pédalage et les variations du couple résistif est constaté et ressenti par l’utilisateur. Les alternatives existantes nécessitent de recourir à des capteurs de vitesse directe ou d’accélération. Ces capteurs sont de complexité et donc de coût plus important si l’on souhaite qu’ils aient un temps de réponse compatible avec la faible inertie recherchée. Le même problème est constaté sur les appareils d’entraînement de type vélo d’appartement ou vélo elliptique utilisant un couple résistif contrôlé en fonction de l’accélération, comme le suggèrent les documents EP3408168 et EP1165188, avec les mêmes problèmes de décalage pouvant être ressenti entre l’action sur le pédalier et la variation de couple résistif correspondant à ladite action. Le problème technique de l’invention est donc de permettre un ajustement dynamique et continu de la cadence de pédalage, correspondant à ladite action, et notamment de rendre soutenable le pédalage à haute puissance. Afin de répondre à ce problème technique, l’invention propose de ne pas recourir à une modélisation complexe de pédaliers mécaniques connus mais d’utiliser une cadence de consigne basée sur la puissance développée par l’utilisateur pour générer le couple résistif. Pour ce faire l’invention propose un pédalier comprenant : des moyens d’estimation de cadence de rotation du pédalier ; un générateur de retour haptique connecté au pédalier et configuré pour délivrer un couple résistif sur le pédalier ; et une unité de contrôle connectée au générateur de retour haptique et aux moyens d’estimation de cadence de rotation du pédalier, configurée pour asservir la cadence de rotation du pédalier à une cadence de consigne en modifiant le couple résistif. Un tel pédalier comporte une régulation de la cadence de pédalage par le couple, qui correspond à un comportement relativement proche du comportement d’un cycle de type vélo ou vélomobile à propulsion musculaire. L'unité de contrôle régule la cadence de consigne en estimant une puissance appliquée sur le pédalier par sa mise en rotation et en diminuant ou augmentant la cadence de consigne de sorte que ladite cadence de consigne augmente avec la puissance appliquée sur le pédalier. Le pilotage de la cadence de pédalage est alors effectué par simple comparaison à une valeur de consigne et estimation de la puissance de pédalage, sans aucune considération d’accélération et donc de double dérivée temporelle. La puissance de calcul et la fenêtre de mesures de position ou de cadence de rotation du pédalier peuvent être réduites, et le retour haptique est quasi immédiat et procure une sensation plus agréable, en ce sens qu'il s'apparente à celui observé sur un vélo mécanique traditionnel. Notamment, la cadence de consigne, augmentant avec la puissance fournie au pédalier, assure que le pédalage reste agréable à haute puissance. En outre, le déposant a découvert, sur la base de nombreuses études propres, que le pédalage n’est agréable et naturel pour le corps humain que dans un domaine de cadence de pédalage réduit, de quelques unités autour de 60 tours par minute et augmentant légèrement lorsque l’effort devient plus important en termes de puissance de pédalage développée par l’utilisateur. Aussi, l’invention propose que la cadence de consigne dépende linéairement de la puissance. Plus particulièrement, la cadence de consigne dépend linéairement de la puissance avec une pente comprise entre 0.05 et 0.25 tours par minute par watt, plus particulièrement de 0.08 à 0.15 tours par minute par watt, et plus particulièrement autour de 0.10 tours par minute par watt. Ces valeurs permettent de maintenir une cadence ressentie comme confortable, sur une large gamme de puissances développées par l’utilisateur au niveau du pédalier. Selon un mode de réalisation particulier, le pédalier comporte des moyens de réglage de la cadence à l’origine. Un utilisateur peut alors adapter continuellement les paramètres du retour haptique, par exemple si la cadence imposée par le pédalier est trop faible ou trop élevée sur une plage de puissance de pédalage. Selon un autre mode de réalisation, l’unité de contrôle est configurée pour déterminer les paramètres de la cadence de consigne tels que la pente et l’ordonnée à l’origine de la cadence de consigne à l’origine lors d’un étalonnage. Le retour haptique par modulation du couple résistif peut alors être adapté spécifiquement à chaque utilisateur, notamment par le stockage dans une mémoire électronique ou informatique de plusieurs profils ayant chacun un réglage adapté à un utilisateur. Le pédalier peut en particulier être réalisé sous forme de machine électrique réversible, comportant un mode de fonctionnement générateur, dans lequel une charge électrique contrôlée par l’unité de contrôle forme le générateur de retour haptique. Le pédalier ne nécessite alors pas de système mécanique dédié au couple résistif. Le courant électrique généré en mode de fonctionnement générateur peut notamment être utilisé pour charger une batterie électrique, ou alimenter tout appareil électrique, comme par exemple un téléphone portable. L’énergie dissipée au niveau du pédalier lors du freinage par le couple résistif peut alors être récupérée et restituée, par exemple pour un moteur électrique contrôlé au moyen du pédalier, ou à un chargeur d’appareil tel qu’un téléphone par exemple. La machine électrique réversible peut comporter un mode de fonctionnement moteur, dans lequel du courant électrique d’une batterie électrique est utilisé pour générer un couple moteur sur le pédalier. Le couple résistif peut alors être rendu moteur, et ainsi servir à générer un effet d’entraînement des pédales par exemple pour simuler une descente, où les roues seraient entraînées et entraîneraient en retour les pédales. L’invention concerne aussi un véhicule à propulsion électrique comportant un pédalier tel que décrit plus haut, ledit pédalier étant utilisé pour piloter la propulsion électrique du véhicule. L’unité de contrôle peut alors être configurée pour : - calculer la cadence de consigne linéairement croissante avec la puissance développée à une valeur seuil de vitesse du véhicule, - interpoler une cadence de consigne entre l’origine et la cadence de consigne linéairement croissante avec la puissance développée à une valeur seuil, - appliquer la cadence de consigne interpolée si la vitesse du véhicule est inférieure à la valeur seuil et la cadence de consigne linéairement croissante avec la puissance développée si la vitesse du véhicule est supérieure à la valeur seuil. Si le véhicule comporte en outre un capteur de position longitudinale du véhicule, l’unité de contrôle peut comporter un deuxième mode de fonctionnement dans lequel la position angulaire du pédalier est asservie à la position longitudinale du véhicule. Le pédalier se caractérise alors en ce que l’unité de contrôle comporte un deuxième mode de fonctionnement dans lequel la position angulaire du pédalier est asservie à la position longitudinale du véhicule. Ce mode de fonctionnement permet notamment de mieux contrôler et ressentir les variations de position longitudinale du véhicule, notamment à faible vitesse, en donnant l’impression d’utiliser un vélo à rapport fixe, dit « fixie » en anglais (de « fixed gear bicycle »). Pour ce faire, l’unité de contrôle est configurée pour : - calculer la cadence de consigne en mode de fonctionnement où l’unité de contrôle asservit la position angulaire des pédales du pédalier à la position longitudinale du véhicule, - calculer la cadence de consigne linéairement croissante avec la puissance développée, - appliquer la plus petite des deux cadences de consigne à la vitesse du véhicule. Le fonctionnement bascule alors automatiquement et sans à-coups entre les deux modes de façon transparente pour l’utilisateur. L’unité de contrôle peut en outre être configurée pour : - comparer la vitesse du véhicule à deux valeurs seuil distinctes, avec une valeur seuil inférieure et une valeur seuil supérieure ; - appliquer le deuxième mode de fonctionnement si la vitesse du véhicule est inférieure ou égale à la valeur seuil inférieure ; - appliquer le premier mode de fonctionnement si la vitesse du véhicule est supérieure ou égale à la valeur seuil supérieure ; et - appliquer un troisième mode de fonctionnement, lorsque la vitesse du véhicule est strictement supérieure à la valeur seuil inférieure et strictement inférieure à la valeur seuil supérieure, le troisième mode de fonctionnement permettant d’assurer la continuité de la cadence en fonction de la vitesse du véhicule entre le premier et le second mode de fonctionnement. Ce troisième mode de fonctionnement de transition permet alors de rendre le basculement d’un mode de fonctionnement à l’autre de façon continue et confortable pour l’utilisateur. Dans le troisième mode de fonctionnement, l’unité de contrôle est configurée selon un mode de réalisation particulier pour : calculer une cadence de consigne projetée à la valeur seuil supérieure à la puissance actuelle; définir une cadence de consigne par interpolation en fonction de la vitesse du véhicule, entre d’une part la cadence correspondant à la valeur seuil inférieure du deuxième mode, et d’autre part la cadence du premier mode à la valeur seuil supérieure. L’interpolation permet d’obtenir un raccord entre les vitesses de consigne entre les deux modes de façon simple. Enfin, l’invention peut également s’appliquer à tout type d’appareil équipé d’un pédalier, et notamment à un appareil d’exercice fixe à pédalier, de type vélo d’appartement ou vélo elliptique. Brève description des figures L’invention sera bien comprise à la lecture de la description qui suit, dont les détails sont donnés uniquement à titre d’exemple, et développée en relation avec les figures annexées, dans lesquelles des références identiques se rapportent à des éléments identiques : est une vue de côté d’un véhicule selon un mode de réalisation particulier de l’invention ; est une vue en coupe longitudinale du véhicule de la ; est une représentation schématique du pédalier du véhicule de la et des éléments interagissant avec ledit pédalier lors de la conduite ; est un graphe de la cadence de pédalage de consigne en fonction de la puissance développée par l’utilisateur, est un graphe du couple résistif exercé sur le pédalier en fonction de la cadence de pédalage, est un graphe de la cadence de consigne en fonction de la vitesse d’un véhicule contrôlé par le pédalier, est un graphe de la cadence de consigne en fonction de la vitesse du véhicule dans un mode de réalisation alternatif, est un graphe de la cadence de consigne en fonction de la vitesse du véhicule dans un autre mode de réalisation alternatif, et est une représentation schématique d’un appareil d’exercice fixe comportant un pédalier selon l’invention. Pédalier, comprenant: - des moyens d’estimation (143) d’une cadence de rotation du pédalier (14) ; - un générateur de retour haptique (15) connecté au pédalier (14) et configuré pour délivrer un couple résistif sur le pédalier (14) ; et - une unité de contrôle (19) connectée au générateur de retour haptique (15) et aux moyens d’estimation (143) de cadence de rotation du pédalier (14), configurée pour asservir la cadence de rotation du pédalier (14) à une cadence de consigne en modifiant le couple résistif ; caractérisé en ce que l’unité de contrôle haptique (19) régule la cadence de consigne en estimant une puissance (P) appliquée sur le pédalier (14) par sa mise en rotation et en diminuant ou augmentant la cadence de consigne de sorte que ladite cadence de consigne augmente avec la puissance (P) appliquée sur le pédalier (14). Pédalier selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la cadence de consigne dépend linéairement de la puissance (P). Pédalier selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la cadence de consigne dépend linéairement de la puissance (P) avec une pente comprise entre 0.05 et 0.25 rpm par watt, plus particulièrement de 0.08 à 0.15 rpm par watt, et plus particulièrement autour de 0.10 rpm par watt. Pédalier selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le pédalier (14) comporte des moyens de réglage de l’ordonnée à l’origine (θ0’) de la cadence de consigne (θs’). Pédalier selon la revendication l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’unité de contrôle (19) est configurée pour déterminer des paramètres de cadence de consigne (θs’) lors d’un étalonnage. Pédalier selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu ’il est réalisé sous forme de machine électrique réversible, comportant un mode de fonctionnement générateur, dans lequel une charge électrique contrôlée par l’unité de contrôle (19) forme le générateur de retour haptique (15). Pédalier selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le courant électrique généré en mode de fonctionnement générateur est converti en charge d’une batterie électrique (9). Pédalier selon l’une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que la machine électrique réversible comporte un mode de fonctionnement moteur, dans lequel du courant électrique d’une batterie électrique (9) est utilisé pour générer un couple moteur sur le pédalier (14). Véhicule à propulsion électrique, caractérisé en ce qu ’il comporte un pédalier (14) selon l’une des revendications précédentes, et en ce que le pédalier (14) est utilisé pour piloter la propulsion électrique du véhicule. Véhicule selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’unité de contrôle (19) est configurée pour : - calculer la cadence de consigne (θs’) linéairement croissante avec la puissance développée (P) à une valeur seuil (V1) de vitesse du véhicule (1), - interpoler une cadence de consigne (θs’) entre l’origine et la cadence de consigne (θs’) linéairement croissante avec la puissance développée (P) à une valeur seuil (V1), - appliquer la cadence de consigne (θs’) interpolée si la vitesse du véhicule (1) est inférieure à la valeur seuil (V1) et la cadence de consigne (θs’) linéairement croissante avec la puissance développée (P) si la vitesse du véhicule (1) est supérieure à la valeur seuil (V1). Véhicule selon la revendication 9, comprenant en outre un capteur de position longitudinale (35) du véhicule (1) caractérisé en ce que l’unité de contrôle (19) comporte un deuxième mode de fonctionnement (Fixie) dans lequel la position angulaire du pédalier (14) est asservie à la position longitudinale du véhicule (1). Véhicule selon la revendication 10, caractérisé en ce que l’unité de contrôle (19) est configurée pour : - calculer la cadence de consigne (θs’) en mode de fonctionnement où l’unité de contrôle 19 asservit la position angulaire des pédales (141) du pédalier (14) à la position longitudinale du véhicule (1), - calculer la cadence de consigne (θs’) linéairement croissante avec la puissance développée (P), - appliquer la plus petite des deux cadences de consigne (θs’) à la vitesse (V) du véhicule (1). Véhicule selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’unité de contrôle (19) est configurée pour : - comparer la vitesse du véhicule (1) à deux valeurs seuil distinctes (V1, V2), avec une valeur seuil inférieure (V1) et une valeur seuil supérieure (V2) ; - appliquer le deuxième mode de fonctionnement si la vitesse du véhicule est inférieure ou égale à la valeur seuil inférieure (V1) ; - appliquer le premier mode de fonctionnement si la vitesse du véhicule est supérieure ou égale à la valeur seuil supérieure (V2) ; et - appliquer un troisième mode de fonctionnement, lorsque la vitesse du véhicule est strictement supérieure à la valeur seuil inférieure (V1) et strictement inférieure à la valeur seuil supérieure (V2), le troisième mode de fonctionnement permettant d’assurer la continuité de la cadence en fonction de la vitesse du véhicule entre le premier et le second mode de fonctionnement. Véhicule selon la revendication précédente, caractérisé en ce que dans le troisième mode de fonctionnement l’unité de contrôle est configurée pour : - calculer une cadence de consigne projetée à la valeur seuil supérieure (V2) à la puissance (P) actuelle ; - définir une cadence de consigne par interpolation en fonction de la vitesse du véhicule (1), entre d’une part la cadence correspondant à la valeur seuil inférieure (V1) du deuxième mode, et d’autre part la cadence du premier mode à la valeur seuil supérieure (V2). Appareil d’exercice fixe à pédalier, de type vélo d’appartement ou vélo elliptique caractérisé en ce qu ’il comporte un pédalier (14) selon l’une des revendications 1 à 8.