Initiative ciblée VibraSimu - Rapport final

HAL Id: hal-03027667

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Submitted on 4 Dec 2020

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Initiative ciblée VibraSimu - Rapport final

Stéphane Caro, Jean Marie Prual, Sio Song Ieng, Alex Coiret, Pierre Olivier

Vandanjon, Nadine Chaurand

To cite this version:

Stéphane Caro, Jean Marie Prual, Sio Song Ieng, Alex Coiret, Pierre Olivier Vandanjon, et al.. Ini-tiative ciblée VibraSimu - Rapport final. [Rapport de recherche] IFSTTAR - Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des Réseaux. 2020, 90p. �hal-03027667�

INSTITUT FRANÇAIS DES SCIENCES ET TECHNOLOGIES DES TRANSPORTS, DE L'AMÉNAGEMENT ET DES RÉSEAUX

Siège : 14-20 bd Newton - Cité Descartes, Champs-sur-Marne - 77447 Marne-la-Vallée Cedex 2 T. +33(0)1 81 66 80 00 – F. +33(0)1 81 66 80 01 – www.ifsttar.fr

Établissement Public à caractère Scientifique et Technologique

R é v 2 3 /0 3 /1 7

Initiative ciblée VibraSimu

Rapport final

Contact : CARO Stéphane Téléphone : 01 81 66 85 59 [email protected] Projet mené de 2017 à 2019

Auteurs : Stéphane Caro COSYS / LEPSIS Jean-Marie Prual AME / EASE Sio-Song Ieng COSYS / LEPSIS Alex Coiret AME / EASE Pierre-Olivier Vandanjon AME / EASE Nadine Chaurand AME / LPC

Relecture : Alex Coiret, le 3/11/20 Approbation : Stéphane Caro, le 24/11/20

Nomenclature d’activité : RP1-S17001 (initiative ciblée VibraSimu) Liens avec les activités : RP4-S16002 (initiative ciblée Cycleval)

RP1-J14161 (projet ANR Cyclope)

TD1-S10001 (développement sur simulateurs de conduite)

3

SOMMAIRE

1.

Présentation de l’initiative ciblée ... 5

1.1

Travaux prévus ... 5

2.

Etat de l’art ... 6

3.

Recueil de données de référence ... 7

1.2

Instrumentation du vélo ... 7

1.3

Campagne de mesure ... 11

1.4

Mise en forme et création d’une base de données ... 14

4.

Analyse des données recueillies ... 16

1.5

Analyse et modélisation des signaux vibratoires... 16

1.6

Evaluation des capteurs grand public ... 21

5.

Production de vibrations sur simulateur vélo ... 22

1.7

Choix de la solution technique ... 22

1.8

Montage électrique ... 24

1.9

Montage mécanique ... 25

1.10

Contrôle du mouvement ... 28

1.11

Tests de poursuite ... 30

1.12

Génération d’un signal de synthèse composite... 32

1.13

Reproduction d’un enregistrement ... 34

6.

Evaluation du simulateur ... 35

7.

Bilan et poursuite du travail ... 35

8.

Bibliographie ... 36

ANNEXES ... 37

Annexe 1.

Proposition d’initiative ciblée transmise à la DS ... 39

Annexe 2.

Compte rendu de la réunion de lancement ... 45

45

Annexe 3.

Bilan 2017 sur le SI-recherche ... 51

Annexe 4.

Bilan 2018 sur le SI-recherche ... 53

Annexe 5.

Mesures sur la piste de Nantes ... 57

Annexe 6.

Fonction de répartition des signaux ... 61

Annexe 7.

Percentiles de l’accélération pour les différentes conditions

expérimentales ... 63

4

Annexe 9.

Butées logicielles et paramètres enregistrés ... 71

Annexe 10.

Paramètres des contrôleurs ... 73

Annexe 11.

Tests de poursuite du démonstrateur ... 74

Annexe 12.

Prise en main des vérins (par Randy Bomolo) ... 75

Annexe 13.

Protocole CANopen pour le mode DSP402 du variateur CDE (par

Randy Bomolo) ... 85

5

1. P

RESENTATION DE L

’

INITIATIVE CIBLEE

L’initiative ciblée VibraSimu est une action incitative de l’IFSTTAR, financée par la direction scientifique. Prévue pour un déroulement sur 2017 et 2018, elle a finalement été prolongée en 2019. Ce projet s’inscrit dans l’axe 1 (modèles et outils logiciels) du contrat d’objectifs et de performance de l’institut et contribue à plusieurs de ses objectifs.

En associant des chercheurs, ingénieurs et technicien de quatre équipes rattachées à trois laboratoires, ce projet a été conçu pour répondre successivement à plusieurs enjeux. Il vise d’une part à offrir une meilleure connaissance des vibrations transmises au vélo et donc au cycliste lors de la circulation sur différents revêtements. Il vise également à évaluer la capacité des dispositifs grand public à mesurer de telles vibrations. Il vise enfin à améliorer le simulateur vélo de l’institut en produisant les vibrations liées aux irrégularités de la chaussée.

1.1 Travaux prévus

Nous avions proposé une démarche en quatre étapes qui visent respectivement à collecter des données terrain, à traiter et modéliser ces données, à les restituer sur simulateur vélo, puis à obtenir des connaissances sur les aspects perceptifs et l’inconfort à vélo. Plusieurs de ces étapes sont accompagnées de développements techniques qui permettront de réaliser le travail proposé.

1.1.1 Etape 1 :

- Mise en œuvre du vélo instrumenté nouvellement acquis et implantation d'accéléromètres qui serviront de référence

- Campagne de mesure visant à constituer une base de données de signaux vibratoires

 Résultats attendus : collection de signaux vibratoires obtenus par plusieurs systèmes de mesure

1.1.2 Etape 2 :

- Analyse et modélisation des données recueillies par le vélo instrumenté

- Comparaison des mesures par les capteurs grand public à celles du vélo instrumenté

 Résultats attendus : (1) caractérisation et modélisation des signaux vibratoires ; (2) évaluation des capteurs grand public dans un but d’analyse de la mobilité.

1.1.3 Etape 3 :

- Mise en œuvre des vérins nouvellement implantés sur le simulateur vélo (finalisation de l’installation électrique, contrôle/commande des vérins)

- Adaptation de l’existant à cette nouvelle configuration (modifications du plancher et du ventilateur) - Implantation du modèle obtenu en « étape 2 » ou lecture directe des signaux enregistrés

6

1.1.4 Etape 4, lors de la seconde année :

- Conduite d'une expérimentation sur les aspects perceptifs avec notamment, la poursuite des travaux de recherche en cours sur les mécanismes de perception de la vitesse propre : évaluation du rôle des vibrations dans la vitesse perçue.

- Conduite d'une expérimentation sur l’inconfort ressenti face aux irrégularités de la chaussée (susceptible d’être un frein à l’usage du vélo).

2. E

TAT DE L

’

ART

Ce projet se situe à l’interface entre trois objets de recherche et d’application que sont, la chaussée, le vélo et les simulateurs immersifs. Sans reprendre la littérature spécifique à chacun d’eux, nous listons ci-dessous quelques travaux menés à l’interface entre deux de ces objets de recherche et d’application.

Même si elle n’est pas encore répandue, la production de vibrations sur simulateur de conduite de voiture a été initiée de longue date. Des travaux en ce sens ont été initiés au Japon en 2004 (Kawamura & al., 2004) sur le simulateur KITDS. Leurs enregistrements montrent des fréquences majoritairement comprises entre 0.1 et 10 Hz. Plus récemment, le projet SHAKE visait à mesurer et retranscrire les caractéristiques vibratoires de la chaussée dans le langage descriptif OpenDrive et à les reproduire sur le simulateur du VTI (Bolling & al., 2010 ; Ahlström & al., 2012). Une expérimentation d’évaluation a également été menée montrant une validité absolue pour certains critères et une validité relative pour d’autres critères. Notons également le projet ANR Roadsense (2011-2013) dans lequel l’Ifsttar était impliqué et qui visait à évaluer des aménagements vibratoires sur simulateur de conduite de voiture. D’un autre côté, Amari (2009) propose un travail plus centré sur l’évaluation du confort pour la conception des véhicules. Il a également reproduit les vibrations sur simulateur mais il ne s’agissait pas d’un simulateur immersif.

Les travaux portant sur la vibration des vélos en lien avec les caractéristiques de la chaussée sont moins nombreux et plus récents. Notons le travail de Li & al. (2017) qui ont mesuré et analysé les accélérations sur vélo pour différentes surfaces et différents modèles de vélo. Les accélérations mesurées sont généralement comprises entre 0 et 1g avec parfois, des pics à plusieurs g. Ils montrent que l’accélération dépend du type de vélo et que l’évaluation de l’acceptabilité par les cyclistes est corrélée avec l’accélération mesurée.

Enfin, nous n’avons connaissance que d’un travail mené à l’interface entre les trois objets que sont la chaussée, le vélo et les simulateurs immersifs : Rakhmatov, Abdulali, Hassan, Kim et Jeon (2018). Ce travail visait à restituer des vibrations sur vélo d’entrainement avec un dispositif vibrotactile, en tenant compte des effets de la pression des pneus et de la vitesse.

7

3. R

ECUEIL DE DONNEES DE REFERENCE

1.2 Instrumentation du vélo

Le laboratoire EASE dispose d’un vélo instrumenté équipé de multiples capteurs raccordés à un boîtier d’acquisition placé sur le porte-bagages. Il a été nécessaire de compléter cet équipement pour les besoins de VibraSimu. Il s’agissait d’une part, d’ajouter deux accéléromètres de précision à l’avant et à l’arrière du vélo. Il s’agissait d’autre part, d’implanter une centrale d’acquisition beaucoup plus rapide, compte tenu de la fréquence d’acquisition souhaitée.

Figure 1 : Vélo instrumenté du laboratoire EASE tel qu’il a été utilisé pour le recueil de données.

8

1.2.1 Chaîne d’acquisition

Les accéléromètres, de type piézo-électriques, ont été sélectionnés pour leur rapidité et leur précision. Il s’agissait du modèle 41A19 de chez Meggitt, le plus sensible de la gamme avec 1000mV/g. Cet accéléromètre monodirectionnel, a une bande passante allant de 1 Hz à 10 kHz et une précision de 10% sur cette gamme de fréquences. Ainsi, la technologie piézo-électrique permet d’acquérir des signaux à haute fréquence (ici, 10 kHz) mais ne permet pas de mesurer la composante continue. Les accélérations sont positives lorsqu’elles sont dirigées vers la base filetée du capteur, soit dans notre cas vers le haut.

Les signaux sont ensuite transmis aux conditionneurs avec batterie intégrée (MEGGITT 4416C) qui alimentent les capteurs piézo-électriques tout en adaptant les signaux de mesure. Les deux tensions de sortie (+/-10V dans notre cas) sont transmises à la centrale d’acquisition (Labjack T7-PRO). Celle-ci numérise les signaux et les transmets par wifi. Un ordinateur récupère les données grâce à l’application dédiée. Cette application téléchargeable sur www.labjack.com permet également de paramétrer la centrale d’acquisition (signaux à acquérir, fréquence d’acquisition, nombre de bits…).

Figure 3 : Eléments de la chaîne d’acquisition avec en haut à gauche, le modèle d’accéléromètre (41A19), en haut à droite, les conditionneurs de signaux (MEGGITT 4416C) et en bas, la centrale d’acquisition (LabJack

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1.2.2 Enregistrement sur smartphone

Les smartphones sont équipes d’accéléromètres capacitifs de type MEMS (microsystèmes électromécaniques) et il est possible d’accéder à leurs mesures. Un programme a ainsi été écrit pour les systèmes d’exploitation Android pour enregistrer et stocker les données de l’accéléromètre sur la carte mémoire. L’interface graphique de ce programme permet de démarrer et de stopper l’enregistrement au sein d’un même fichier de données, de créer un nouveau fichier de données et permet également d’ajouter les points de repère qui sont intégrés aux données.

Ce programme a pu être testé sur le campus de Marne-la-Vallée et a montré un fonctionnement satisfaisant, notamment au regard de la fréquence d’acquisition qui avoisinait les 50 Hz. Cependant, une mise à jour du système d’exploitation Android a dégradé ce fonctionnement et il n’a pas été possible de revenir en arrière. L’enregistrement se fait maintenant à une fréquence nettement plus basse : environ 5 Hz et 12 Hz sur l’un et l’autre des smartphones HTC et environ 12 Hz sur le LG.

La comparaison des données enregistrées avec celles des capteurs Meggitt (section 1.6, page 21) nous indiquera si l’enregistrement sur smartphone est une solution pertinente, compte tenu de cette limite.

1.2.3 Support de smartphone et fixation des capteurs

Deux supports de smartphone ont été créés pour les besoins du projet, afin d’être fixés sur le guidon et sur la selle. Il a été nécessaire de créer des supports spécifiques puisque ceux du commerce, composés de plastique et de mousse ne peuvent pas transmettre correctement les vibrations aux smartphones et faussent donc les mesures.

La conception par CAO a permis d’ajuster les dimensions des pièces aux contraintes d’intégration sur les vélos. Les supports se composent d’une pièce en aluminium issue du commerce (modèle GUB G-85, permettant de pincer les téléphones) et de supports en métal de fabrication maison. La construction en métal permet d’obtenir une plus grande rigidité et donc de mesurer des vibrations de plus hautes fréquences. Les supports permettent d’ajuster l’horizontalité des téléphones et le support arrière peut être fixé sur différents diamètres de tube (pour différents modèles de vélo).

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Figure 4 : Conception et réalisation des deux supports de smaprtphones.

Les deux supports de smartphones permettent également de fixer les accéléromètres Meggitt présentés ci-dessus. Ils ont ainsi été utilisés pour cette campagne de mesure afin de comparer les signaux acquis sur les accéléromètres et sur les smartphones.

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Figure 5 : Fixation des accéléromètres Meggitt et des smartphones sur les mêmes supports pour la campagne de mesures. A gauche, support arrière fixé sur le tube de selle et à droite, support avant fixé sur le guidon. Les

capteurs Meggitt, de couleur dorée, sont fixés en dessous.

1.3 Campagne de mesure

La campagne de mesure s’est faite les 15 et 16 octobre 2018 sur la piste accessible sur le site Nantais de l’IFSTTAR. Le premier jour a été consacré à l’installation et la configuration des différents dispositifs et le second jour, aux mesures.

Les pneus du vélo sont de type VTC (700x35) ; ils ont été gonflés à 5 bars ; l’acquisition pour les capteurs Meggitt se faisait à 500 Hz sur 12 bits.

Pour chaque essai, quatre enregistrements se faisaient en parallèle : - Un enregistrement pour les deux accéléromètres Meggitt

- Un enregistrement sur chacun des téléphones (un même enregistrement couvrait plusieurs essais) - L’enregistrement du GPS qui indique notamment la vitesse du vélo

1.3.1 Les surfaces testées

 Surface 1 : Créneaux. Quatre planches en bois d’épaisseur 2 cm et de longueur 1.22 m ont été disposées dans le sens de la longueur avec des intervalles de 1.22 m. Nous obtenons ainsi quatre créneaux avec un rapport cyclique de 50% (voir figure ci-dessous).

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Figure 6 : Surface comportant quatre planches allignées qui composent quatre créneaux.

 Surface 2 : Pavés. L’une des planches disponibles sur la piste de Nantes se compose de pavés en béton. La zone de mesure a été délimitée en entrée et en sortie par des planches en bois espacées de 22.25 m (voir figure ci-dessous).

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 Surface 3 : Texture gros graviers. L’une des planches disponibles sur la piste de Nantes est un enrobé composé de gros graviers (voir Figure 8-bas-gauche). La zone de mesure a été délimitée en entrée et en sortie par des planches en bois espacées de 30 m.

 Surface 4 : BBSG (i.e., enrobé classique). L’une des planches disponibles sur la piste de Nantes est un enrobé de type BBSG (voir Figure 8-bas-droit). La zone de mesure a été délimitée en entrée et en sortie par des planches en bois espacées de 30 m (voir figure ci-dessous).

Figure 8 : Surfaces « texture gros graviers » et « BBSG ». Haut : les deux planches sont côte à côte. Bas-gauche : gros plan sur la texture avec gros graviers. Bas-droit : gros plan sur la surface BBSG.

 Surface 5 : Une planche dans le sens de la longueur. La cinquième surface testée est similaire à la première mais avec l’utilisation d’une seule planche. Comme pour la première surface, la planche est disposée dans le sens de la longueur.

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1.3.2 Les essais réalisés

Numéro

d’essai Surface Vitesse Observations

Suites données

Essai 1 Surface 1 Environ

10 km/h Passage sur les planches raté Non retenu Essai 2 Surface 1 Environ

10 km/h Retenu

Essai 3 Surface 1 Environ 10 km/h

Enregistrement manquant sur

smartphone arrière Retenu

Essai 4 Surface 1 Environ

20 km/h Passage sur la 3

ème _{planche de bois raté Retenu} Essai 5 Surface 1 Environ

20 km/h Retenu

Essai 6 Surface 2 Environ

10 km/h Retenu

Essai 7 Surface 2 Environ 10 km/h

2 passages successifs : aller-retour. Connexion wifi perdue ; pas de données pour les accéléromètres Meggitt

Non retenu

Essai 8 Surface 2 Environ 18

km/h 2 passages successifs : aller-retour. Retenu Essai 9 Surface 3 12-13 km/h 2 passages successifs : aller-retour. Retenu Essai 10 Surface 3 18-20 km/h 2 passages successifs : aller-retour. Retenu Essai 11 Surface 4 12-13 km/h 2 passages successifs : aller-retour. Retenu Essai 12 Surface 4 Environ 18

km/h 2 passages successifs : aller-retour. Retenu Essai 13 Surface 5 2 x 10 km/h

+ 2 x 20 km/h

4 passages sur la planche : 2 à environ

10 km/h et 2 à environ 20 km/h Retenu

Tableau 1 : Descriptif des essais réalisés sur la piste de Nantes.

1.4

Mise en forme et création d’une base de données

1.4.1 Synchronisation

Cinq dispositifs ont été utilisés : 2 accéléromètres Meggitt, 2 smartphones et 1 GPS. Leurs données ont été enregistrées sur quatre supports différents et à des fréquences d’acquisition différentes. Seules les données des deux accéléromètres Meggitt étaient enregistrées dans le même fichier. Il a donc fallu repositionner les enregistrements des deux smartphones par rapport aux enregistrements Meggitt.

Pour y parvenir, nous avons tracé sous Matlab et pour chaque essai, les données enregistrées par les différents capteurs. Le travail a ensuite consisté à identifier des points de référence communs à différents enregistrements et à repositionner ces enregistrements sur une même base de temps. Les points de référence pouvaient correspondre soit au passage sur la planche de début ou de fin, soit à des points singuliers.

1. En se présentant comme des échelons (i.e., un signal échelon), les planches disposées en début et fin de zone d’observation devaient effectivement permettre de synchroniser les enregistrements et

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de délimiter la zone utile. Il ressort a posteriori que la mécanique du vélo a un effet de filtrage (amortissement par les pneus ; grand diamètre des roues) et que l’amorce du passage sur la planche est moins nette que ce qui était attendu. En outre, l’un des deux smartphones (celui de l’avant) a une fréquence d’acquisition assez basse et le passage sur la planche ne permet pas de repositionner son signal de manière satisfaisante.

2. Des points singuliers peuvent être présents dans les enregistrements. Ils correspondent vraisemblablement à des coups de pédales (au moment où la chaîne se met en tension) qui ne sont pas filtrés par la mécanique du vélo. Les enregistrements des smartphones étant de plus longue durée que les enregistrements Meggitt (démarrés plus tôt et arrêtés après), les points singuliers apparaissent principalement dans les données des deux smartphones, permettant de les repositionner l’un par rapport à l’autre.

Ainsi, la synchronisation des enregistrements a le plus souvent été faite en deux étapes successives : repositionner l’enregistrement du smartphone le plus rapide (arrière) avec les accéléromètres Meggitt puis repositionner l’enregistrement du smartphone le plus lent (avant) avec celui de l’arrière en profitant de la présence de points singuliers. L’instant t=0 correspond à l’amorce du passage de la roue avant sur la première planche. Les données synchronisées sont présentées sous forme de figures en Annexe 5.

1.4.2 Mise en forme

Après avoir été repositionnés sur une même base de temps, les données des accéléromètres ont été enregistrées sous la forme d’un tableau dans un fichier texte. Chaque donnée correspond à une ligne et chaque ligne comporte 4 valeurs : numéro de signal (voir ci-dessous), numéro d’essai (voir page 14), temps [s], valeur. Nous obtenons ainsi un tableau de 4 colonnes ayant entre 200 000 et 300 000 lignes.

Liste des signaux :

 Signal 1 : Accéléromètre Meggitt placé à l’avant.  Signal 2 : Accéléromètre Meggitt placé à l’arrière.  Signal 3 : Smartphone placé à l’avant (LG).  Signal 4 : Smartphone placé à l’arrière.

 Signal 5 : Vitesse estimée en entrée et en fin de zone. La vitesse a été estimée à partir du décalage temporel des « délimiteurs » sur les enregistrements avant et arrière ; l’empâtement étant de 1.1 m.

Liste des colonnes du tableau :

 Colonne 1 : Numéro du signal considéré  Colonne 2 : Numéro de l’essai considéré

 Colonne 3 : temps [s] après repositionnement des données sur une même base de temps. L’instant t=0 correspond à l’amorce du passage de la roue avant sur la première planche.

 Colonne 4 : Valeur enregistrée : accélération [m/s2_{] ou vitesse estimée [m/s].}

Note : les mesures des accéléromètres Meggitt en « g » ont préalablement été converties en m/s2_.

Il est assez aisé d’extraire les données utiles d’un tel tableau à l’aide d’un logiciel comme Matlab. Deux tableaux ont été créés, l’un avec les « délimiteurs » et l’autre avec la seule zone utile.

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4. A

NALYSE DES DONNEES RECUEILLIES

1.5 Analyse et modélisation des signaux vibratoires

Comme nous l’attendions, les accélérations enregistrées sont des signaux complexes, non réguliers, s’apparentant à du bruit. La figure ci-dessous présente l’accélération verticale pour un enrobé classique, de type BBSG (surface 4). Les figures correspondant aux autres signaux sont présentées en Annexe 5, page 57.

Figure 9 : Accélération verticale enregistrée pour deux passages à 12-13 km/h (à gauche) et deux passages à 18 km/h (à droite) sur un enrobé de type BBSG (surface 4). Les signaux rouge et magenta sont enregistrés par

les capteurs de précision et ceux de couleur bleu et cyan sont enregistrés par les smartphones.

Compte tenu de la complexité de ces signaux, nous les avons analysés sous deux autres formes : la fonction de répartition et la représentation spectrale. Nous avons également comparé l’amplitude de l’accélération verticale pour les différentes conditions expérimentales.

1.5.1 Fonction de répartition

Les signaux temporels, tels que ceux de la Figure 9, font ressortir les pics d’accélération mais ne renseignent pas facilement sur la valeur de l’accélération en dehors de ces pics. Nous avons donc tracé les fonctions de répartition des différents signaux. Elles renseignent sur la répartition des valeurs d’accélération ou, autrement dit, le temps passé cumulé avec des accélérations dans une fourchette donnée. La Figure 10 montre par exemple que sur enrobé BBSG à 18 km/h, l’accélération est comprise entre -2 et +2 m/s2 _{pendant 80% du} temps et que les valeurs extrêmes sont de l’ordre de -7 et +7 m/s2_{. Les figures correspondant aux autres} signaux sont présentées en Annexe 6, page 61.

Les différentes fonctions de répartition que nous obtenons s’apparentent à celle d’une distribution normale. L’accélération verticale au niveau du guidon et de la selle a donc une distribution proche d’une distribution normale et peut être caractérisée par son écart-type. L’écart-type de l’accélération pour les différentes conditions expérimentales est donné dans le Tableau 2.

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Figure 10 : Fonction de répartition de l’accélération pour deux passages sur enrobé BBSG (surface 4) à 18 km/h. Les courbes rouge et magenta correspondent aux accélérations mesurées respectivement au niveau du guidon et et la selle.

Revêtement

Basse vitesse Haute vitesse

Avant Arrière Avant Arrière

BBSG 0,88 1,20 1,50 1,90

Pavés béton 3,32 2,50 6,17 4,32

Gros graviers 4,64 4,63 5,49 6,32

Planches 9,05 7,25 15,85 16,53

Tableau 2 : Ecart-type de l’accélération sur la section utile en fonction du revêtement, de la vitesse et de l’emplacement du capteur.

1.5.2 Analyse spectrale

Une analyse fine des signaux temporels semble mettre en lumière trois fréquences de résonances qui se caractérisent par des oscillations répétées à une fréquence donnée. La première résonance supposée a une fréquence de 9-10 Hz et est visible sur les enregistrements avant et arrière. Il pourrait s’agir de la fréquence de résonance du vélo. Les deux autres résonances supposées sont autour de 120-125 Hz à l’arrière et 150-160 Hz à l’avant. Peut-être s’agit-il des oscillations du support du capteur lui-même. Les deux premières résonances supposées (9-10 Hz et 120-125 Hz à l’arrière) se retrouvent dans le spectre des signaux alors que la troisième (150-160 Hz à l’avant) ne ressort pas.

Une autre hypothèse serait une remontée vibratoire de la texture de la chaussée, bien qu’amortie par les pneumatiques. Considérant 150 Hz à 18km/h : 18km/h c’est 18 000 000 mm pour 3600 secondes, soit pour 1/150 s, une distance d’avancement de 33.3 mm. C’est une longueur un peu grande, même pour une interdistance entre deux aspérités principales de gros graviers, mais c’est bien une dimension de l’ordre de grandeur de la texture ou de la longueur de contact / écrasement du pneumatique (réponse vibratoire du pneumatique?).

18

D’autre part, si on considère la fréquence de 10Hz, toujours à 18 km/h, on arrive à une distance d’avancement des 50 cm, soit une distance proche de celle liant le centre de gravité du vélo au centre d’une des roues, avant ou arrière (centre de gravité proche du pédalier). Les 10Hz pourraient donc être une vibration propre à l’échelle de l’ensemble cadre / roues.

L’analyse spectrale montre que la plus grande partie de l’énergie se situe entre 5 et 20 Hz, en particulier pour le capteur placé au niveau du guidon. En comparaison, le capteur fixé sur la selle met en évidence un niveau d’énergie un peu plus faible entre 5 et 20 Hz et un peu plus élevé entre 50 et 150 Hz. Le pic d’énergie entre 5 et 20 Hz se décale légèrement vers les hautes fréquences lorsque la vitesse du vélo augmente. La figure ci-dessous présente quatre représentations spectrales pour un enrobé de type BBSG. Les figures correspondant aux autres signaux sont présentées en Annexe 6, page 61.

Figure 11 : Représentation spectrale pour des passages sur un enrobé de type BBSG (surface 4) à 12-13 km/h (à gauche) et à 18 km/h (à droite). Le signaux rouge et magenta correspondent respectivement au capteur avant

(sur le guidon) et arrière (sur la selle).

1.5.3 Les différentes conditions expérimentales

L’analyse des signaux recueillis (voir Figure 12) montre que c’est le revêtement de type BBSG – revêtement classique - (surface 4) qui produit les accélérations les plus faibles. Viennent ensuite les pavés en béton (surface 2), puis les gros graviers (surface 3) qui génère des accélérations plus importantes et enfin, le passage sur les planches (surface 1) pour lequel les accélérations sont nettement plus grandes. Nous observons ainsi un rapport de 1 à 5 entre un revêtement assez lisse (BBSG) et un revêtement à gros graviers (85ème _{percentile à} basse vitesse) et un rapport de 1 à 9 entre la surface BBSG et le passage sur des planches (85ème _{percentile à} haute vitesse).

Nous observons par ailleurs, pour l’ensemble des signaux recueillis, une augmentation de l’accélération verticale avec la vitesse. La Figure 12 illustre bien cet effet de la vitesse et indique qu’il est plus prononcé pour les reliefs discontinus tels que les pavés en béton et les planches. Si l’on considère le 85ème _{percentile de} l’accélération, nous constatons que le doublement de la vitesse augmente les accélérations de 30 à 60% pour les enrobés (BBSG et gros graviers) et de 80 à 140% pour les surfaces discontinues (pavés béton et planches). Le constat est similaire pour le 95ème _percentile.

19

Figure 12 : 85ème _{percentile de l’accélération [m/s}2_{] en fonction du revettement et de la vitesse.}

Figure 13 : 85ème _{percentile de l’accélération [m/s}2_{] en fonction du revettement et du point de mesure sur le vélo.}

Pour les deux vitesses confondues (haut) ainsi qu’à basse vitesse (bas-gauche) et haute vitesse (bas-droite).

Deux vitesses confondues

20

Par ailleurs, les reliefs discontinus (pavés béton et planches) ont un effet plus prononcé sur le capteur avant, fixé sur le guidon, que sur le capteur arrière, fixé sur la tige de selle (Figure 13). Nous faisons ce constat pour les deux gammes de vitesses. En revanche, lorsque le vélo passe sur des discontinuités prononcées à haute vitesse (i.e., la succession de planches à 20 km/h), les pics d’accélération (valeur maximale) sont plus importants au niveau du capteur arrière qu’au niveau du capteur avant (Figure 14). Les valeurs maximales sont particulièrement élevées dans le cas des passages sur planche et peuvent atteindre 9g.

Nous aurions pu nous attendre à ce que pour les passages sur planches, la montée génère des accélérations plus importantes que la descente (en principe limitée à 1g). Mais de façon inattendue, les accélérations sont symétriques pour les passages sur planche indiquant que les accélérations vers le bas sont aussi fortes que celles orientées vers le haut et atteignent 9g. Ces fortes accélérations vers le bas seraient donc le fruit de la résonnance du vélo et pas seulement de la gravité.

L’ensemble des données utilisées pour établir ces graphiques est présenté dans un tableau en Annexe 7 (page 63).

1.5.4 Système mécanique suspendu et posture du cycliste

De manière qualitative, on peut expliquer la différence entre les accélérations mesurées à l’avant et à l’arrière par le placement des capteurs avant et arrière, à des distances différentes du centre de gravité (rotation) du vélo et des points d’impact/vibration. Le capteur avant par exemple mesure l’effet des impacts sur les roues avant et arrière, avec un grand bras de levier vis-à-vis du centre de gravité. Au contraire, les déplacements et vibrations près de la tige de selle sont limités par l’inertie du vélo en un point proche du centre de gravité, toujours sur des sollicitations ayant pour origine les axes de roue.

Pour la notion même de "centre de gravité", il convient de préciser qu’il s'agit du centre de gravité du système vélo + cycliste, le vélo ne se déplaçant pas seul. Et ce n'est pas un "système mécanique indéformable", donc le centre de gravité n'est pas fixe, et les interactions vélo + cycliste sont variables.

Au sein de ce système déformable, on peut identifier 5 points de contact entre le cycliste et le vélo : - La selle : part majoritaire de la charge du cycliste supportée par le vélo.

- Les deux pédales : part plus ou moins importante de la charge, selon la vitesse/accélération (force développée). Charge asymétrique et cyclique sur les pédales gauche/droite.

- Les deux poignées du cintre sur lesquels reposent les mains : là encore, la charge est variable, selon l'attitude du cycliste, mais aussi et surtout selon sa perception des "obstacles".

Comme indiqué ci-dessus, la charge appliquée par le cycliste sur les deux poignées du cintre dépend largement de sa perception des obstacles. En effet, un cycliste "diminue à presque zéro" la charge sur le cintre lors d'un contact proche avec un obstacle, comme ici avec les planches posées sur le sol. Donc, finalement, lors des essais sur planche, l'accéléromètre de cintre est libéré de l'appui du cycliste, inconsciemment par le "pilote", afin d'éviter des chocs aux poignets/coudes... D'où peut-être une accélération mesurée assez forte, puisque sur un point du cadre (cintre) loin du centre de gravité du vélo et sans surcharge locale (mains).

Inversement, sur du simple "roulage" sur revêtement peu à moyennement rugueux, le cycliste accepte de laisser une partie de son poids reposer sur le cintre (de manière variable d'un cycliste à l'autre, on entre dans le domaine "postural").

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Figure 14 : Répartition des valeurs d’accélération [m/s2_{] en fonction du point de mesure (avant/arrière) de la}

vitesse de passage, pour des passages sur une succession de planches (surface 1).

1.6 Evaluation des capteurs grand public

L’un des objectifs du projet était d’évaluer la capacité des smartphones à mesurer les accélérations verticales des vélos pour contribuer à la modélisation des signaux et pour nous renseigner sur le ressenti des cyclistes. Cette évaluation a pu être réalisée grâce aux essais menés sur la piste de Nantes et donne des résultats mitigés. Il n’est vraisemblablement pas nécessaire d’avoir une mesure fine et de détecter les extrema pour inférer le ressenti des cyclistes et catégoriser les signaux. Puisque la distribution est approximativement gaussienne, il suffit d’estimer l’écart-type. Il est possible, avec les smartphones que nous avons utilisés, de classer les enregistrements, du moins bruité au plus bruité et de prédire le ressenti des cyclistes. En revanche, la fréquence d’acquisition est nettement insuffisante pour contribuer à la modélisation des signaux. Elle ne permet pas de détecter les accélérations brèves mais fortes qui les caractérisent. Cette limite n’est pas à imputer au capteur lui-même mais plutôt au système d’exploitation du smartphone. Il pourrait donc être utile, pour de futurs travaux, de comprendre et de corriger ce défaut de gestion des programmes par Android. Contrairement à ce qui était envisagé, les mesures faites sur les pistes de Nantes n’ont pas pu être enrichies avec des enregistrements complémentaires réalisés sur d’autres sites et avec d’autres vélo.

Notons pour de futurs usages, que le capteur grand public utilise une technologie (capacitive) différente des capteurs de précision et permet de mesurer les basses fréquences et la composante continue. Bien que nous n’en ayons pas ressenti le besoin dans ce projet, il pourrait être envisagé de coupler les deux types de capteurs pour obtenir une couverture fréquentielle complète.

22

5. P

RODUCTION DE VIBRATIONS SUR SIMULATEUR VELO

Sur le plan international, les développements réalisés sur simulateur de déplacement et les recherches associées sont essentiellement tournés vers le rendu visuel et le rendu des accélérations. Peu de travaux ont jusque-là été entrepris pour restituer les vibrations. Nous n’avons connaissance que d’un travail de thèse INSA-PSA (Amari, 2009), du projet Shake mené en Suède (Ahlström et al., 2012) et du projet ANR Roadsense dont l’IFSTTAR était partenaire (2011-2013). Nous pensons que le rendu des vibrations sera bénéfique en termes de validité du simulateur. Nous attendons en particulier, une meilleure immersion, une meilleure perception de la vitesse et une réduction du mal du simulateur.

1.7 Choix de la solution technique

1.7.1 Solutions techniques envisageables

Plusieurs solutions techniques peuvent être envisagées pour faire vibrer le simulateur vélo. Elles présentent chacune des avantages et des inconvénients.

- Pot vibrant. les pots vibrants sont des systèmes électromagnétiques conçus pour faire vibrer une masse intégrée sur une large gamme de fréquence. Leur fonctionnement s’apparente à celui d’un haut-parleur. Leur capacité à produire des vibrations de quelques Hz jusqu’à plusieurs Khz en font la solution technique idéale pour la reproduction de signaux vibratoires complexes, composés de plusieurs harmoniques. Cependant, ils ne peuvent supporter qu’une masse relativement limitée (quelques kg à quelques dizaines de kg) et ont un coût d’achat particulièrement élevé (quelques k€ à quelques dizaines de k€).

- Vibreur. Les vibreurs sont des systèmes rotatifs avec une masse excentrée. Ce sont des dispositifs bon marché et faciles à mettre en œuvre. La fréquence des vibrations est généralement fixe. Peut-être est-il possible de faire varier la fréquence des vibrations en modulant l’alimentation du vibreur. L’amplitude des vibrations ne peut quant à elle pas être réglée.

- Prototype de vibreur. Les vibreurs du commerce ne permettant pas de faire varier la fréquence et l’amplitude des vibrations, une réflexion a été menée pour concevoir un prototype de vibreur. Deux solutions techniques ont été identifiées mais n’ont pas été testées.

- Vérins hydrauliques et pneumatiques. Les vérins hydrauliques et pneumatiques son commandés par électrovannes et on des fréquences de fonctionnement particulièrement basses. Leur mise en œuvre est assez complexe puisqu’elle nécessite une pompe ou un compresseur et est source de nuisances sonores et d’éventuelles de fuites. Ces dispositifs ne sont, in fine, pas adaptés à la production de vibrations. Il y a aussi des aspects d’amortissement et de déphasage inhérents à ce type de matériel. - Vérins électriques. Les vérins électriques sont plus simples à mettre en œuvre que les précédents.

L’organe de commande électrique (le variateur) est peu volumineux et le moteur électrique est embarqué sur le vérin. Ils permettent de reproduire des signaux complexes (avec des harmoniques) mais uniquement pour des fréquences assez basses (de la composante continue à une dizaine de Hz).

Notre objectif est de reproduire les vibrations liées aux irrégularités de la chaussée (les macro-textures et les défauts d’uni) lors de la circulation à vélo à différentes vitesses et sur différents revêtements. Il est donc nécessaire de pouvoir contrôler séparément la fréquence et l’amplitude des signaux vibratoires. Les pots vibrants et les vérins électriques permettent d’avoir ce contrôle séparé entre fréquence et amplitude. Compte

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tenu du coût prohibitif des pots vibrants (devis à 35k€ pour un pot vibrant V555 + amplificateur PA-100 + logiciel) nous avons opté pour un ensemble de vérins électriques. Ceux-ci sont limités en fréquence (environ 10 Hz) mais permettent de descendre jusqu’à la composante continue (0 Hz) et peuvent produire des débattements physiques d’une plus grande ampleur que les pots vibrants1_.

1.7.2 Description de la solution retenue

Tel qu’indiqué ci-dessus, nous retenons une solution à base de vérins électriques actionnés par moteur brushless. Nous choisissons de faire reposer la plateforme sur trois vérins pour que le système ne soit pas hyperstatique : deux vérins à l’arrière et un à l’avant. La charge statique estimée avec un participant présent sur le vélo est d’environ 750 N par vérin. Nous souhaitons produire des accélérations allant jusqu’à 1g. Les vérins doivent donc pouvoir supporter des efforts allant jusqu’à 1500 N. Compte-tenu du rapport de démultiplication entre le moteur et le vérin2_{, le moteur doit pouvoir produire un couple de 2.4 Nm en négligeant les} frottements. Compte-tenu du coefficient Kt du moteur sélectionné3_{, le courant susceptible d’être consommé} peut aller jusqu’à 2.6 A en négligeant les pertes. Le variateur a été dimensionné pour supporter un tel courant. Le modèle retenu est le CDE32.004 de Lust. Par ailleurs, le régime moteur maximal de 3000 tr/min correspond à une vitesse linéaire de 0.5 m/s.

Enfin, les efforts radiaux sur les vérins peuvent être causés par la charge statique en cas d’inclinaison de la plateforme ou par des efforts dynamiques causés par les mouvements du participant. Ces deux cas de figure sont détaillés ici :

1. Une différence d’extension des vérins de 0.2 m entre l’avant et l’arrière provoque une inclinaison de 8°. La charge statique de 750 N par vérin crée alors un effort radial de 106 N sur chaque vérin.4

2. Concernant les efforts dynamiques, nous pouvons raisonnablement penser que les mouvements du participant lorsqu’il monte sur le vélo ou lorsqu’il pédale en danseuse ne devraient pas causer d’efforts latéraux (droite-gauche) supérieurs à 300 N soit 100 N par vérin.

Prenant ces estimations en compte, nous choisissons un modèle de vérin plus grands qu’initialement prévu pour assurer une meilleure résistance. Les vérins ayant une course de 300 mm peuvent supporter des efforts latéraux de 150 N pour une extension de 0.2 m. Pour assurer une résistance maximale face aux efforts latéraux, nous veillerons dans la mesure du possible à travailler avec la tige rentrée.

Par souci de simplicité, nous choisissons de mesurer la position du moteur et du vérin avec un codeur absolu plutôt qu’avec un codeur incrémental. Ce choix dispense de placer des capteurs de fin de course sur le vérin. Nous avons fait appel à la société Transtechnik qui commercialise ce type de produit et qui avait déjà fourni les actionneurs du simulateur moto et du simulateur lacet. Les produits retenus sont :

- Vérins Parker de 50 mm de côté avec course de 300 mm. Modèle ETH050-M10-C-1-K1C-J-S-N-0300-A. - Moteurs brushless pouvant produire un couple de 2.9 Nm et atteindre une vitesse de 3000 tr/min, avec

frein intégré et codeur absolu. Modèle DSM5.32.11G7 et codeur SEL52.

- Variateurs de marque Lust pouvant contrôler le moteur en vitesse et en position, accessible via le protocole CAN Open DSP402 et pouvant produire un courant d’alimentation de 4A. Modèle CDE 32.004.

1 _{Nous nous limiterons volontairement à 1 ou 2 cm, ce qui est suffisant pour produire des vibrations.}

2 _{couple = force*pas/2π avec force = 1500 N et pas = 0.01 m. Ce pas correspond à un mouvement linéaire du vérin de 1 cm}

lorsque le moteur effectue un tour complet. Nous obtenons un couple moteur de 2.39 Nm.

3 _{Le moteur DSM 5.32 a un coefficient Kt de 0.91 Nm/A. Il faut donc un courant de 2.62 A pour produire le couple de}

2.39 Nm.

4 _{L’angle causé par une différence d’extension des vérins est : θ=atan(différence de sortie/longueur plateforme), une}

différence d’extension de 0.2 m avec une longueur de plateforme de 1.4 m crée un angle de 8°. La force radiale exercée sur le vérin est calculée à partir de la charge statique et de l’inclinaison : Fl = Fs.sin(θ) = 750.sin(8°) = 106 N.

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Pour synthétiser les éléments exposés ci-dessus, l’ensemble est dimensionné pour atteindre

des accélérations de 1g, des vitesses de 0.5 m/s, des débattements de 0.2 m et une

inclinaison en tangage de 8°. Nous verrons plus loin (section 1.10.2, page 29) que

l’intégration sur la plateforme avec le plancher en bois contraint le débattement et en

conséquence, l’inclinaison et la vitesse.

1.8 Montage électrique

Par souci de modularité et de continuité avec la première version du simulateur vélo, nous avons choisi de créer une seconde armoire électrique avec les contrôleurs des trois vérins. Elle comporte les composants électriques permettant d’alimenter les contrôleurs (notamment en 24V) et de temporiser certaines alimentations. Un bouton d’arrêt d’urgence et les boutons d’activation/désactivation des contrôleurs sont également installés. Deux emplacements sont prévus pour des contrôleurs complémentaires pour une évolution ultérieure du simulateur (contrôle actif du roulis).

Plusieurs éléments sont connectés aux variateurs : l’alimentation monophasée, la commande de puissance et la mesure de position des vérins, une résistance ballast, deux signaux de contrôle en 24V (activation), et le bus CAN. Il est également possible de connecter un ordinateur par le port série pour le paramétrage des contrôleurs.

La communication avec les contrôleurs se fait par un second bus CAN, séparé de celui utilisé pour l’instrumentation de la plateforme et le contrôle des autres actionneurs. Il fonctionne en CAN-Open cadencé à 1M bauds. Le bus doit être alimenté en 24V ce qui nécessite un câblage spécifique de celui-ci dans l’armoire.

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1.9 Montage mécanique

1.9.1 Démonstrateur

Suite aux tests menés sur table, les trois vérins ont été installés sur un démonstrateur (Figure 16) afin de vérifier que le fonctionnement en charge est satisfaisant. Une structure métallique a été construite pour accueillir un siège de véhicule. Cette structure est soutenue par les trois vérins installés tête vers le bas, leur tige se terminant par une rotule et une chape en aluminium. La masse en mouvement est d’environ 45 kg auxquels s’ajoute éventuellement la masse de la personne installée sur le siège.

La réponse fréquentielle du démonstrateur a été étudiée et est décrite en page 30.

Figure 16 : Photos du déponstrateur et de l’appui sur le sol par les tiges de vérins.

1.9.2 Intégration finale

L’intégration finale s’est faite sur même principe que le démonstrateur : la structure métallique est soutenue par les trois vérins, installés tête vers le bas. La structure métallique du simulateur a dû être modifiée (Figure 17-gauche). Contrairement à ce qui avait été envisagé lors de la conception mécanique du simulateur en 2013, nous choisissons une structure qui n’est pas hyperstatique afin de faciliter le contrôle des actionneurs. Elle doit donc reposer sur trois appuis au lieu de quatre. Un vérin est ainsi placé à l’avant du vélo, entre la roue et le ventilateur (Figure 17-droite).

Comme indiqué plus haut, la charge statique sur les vérins est d’environ 750 N lorsqu’une personne de 100 kg est installée sur le vélo. La masse est légèrement plus importante sur le vérin arrière-gauche à cause du volant d’inertie.

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1.9.3 Contraintes sur la gamme de mouvements pouvant être produits

Lorsque les trois vérins exécutent des mouvements différents – par exemple pour simuler une montée de trottoir – il y a un léger déplacement latéral de la tête de vérin sur le sol. Bien que ce déplacement latéral soit minime, il empêche d’ancrer la plateforme dans le sol. Si la plateforme était ancrée dans sol sans glissière, les efforts radiaux détérioreraient les vérins.

Puisque la plateforme n’est pas fixée au sol, les accélérations verticales dans le sens de la descente ne doivent pas dépasser 9.81 m/s2 _{pour éviter que la plateforme ne se retrouve en suspension puis chute sur le sol. Une} telle secousse détériorerait les vérins. Des accélérations trop fortes dans le sens de la montée seraient également néfastes compte tenu de la charge embarquée. Nous avons donc limité la commande (dans le modèle Simulink et dans le paramétrage des contrôleurs) pour que ces accélérations ne soient pas atteintes.

Figure 17 : Gauche : modification de la structure métallique du simulateur. Droite : implantation des vérins.

Figure 18 : Version finale du simulateur avec les vérins.

Enfin, le plancher en bois vient s’intercaler entre la structure métallique (plus précisément, l’axe en acier autour duquel se fait le roulis) et la roue avant du vélo, ce qui limite le débattement vertical possible. L’objectif premier étant de reproduire les vibrations, nous avons choisi de limiter le débattement vertical à +/-5 mm afin de préserver le plancher. Seules quelques découpes ont été nécessaires autour des paliers qui maintiennent l’axe acier du roulis. Si à l’avenir il devenait nécessaire de produire des mouvements de plus grande ampleur

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pour des usages particuliers, nous pourrions retirer ou modifier le plancher. Les limites ont été programmées dans le modèle Simulink d’une part et dans les contrôleurs eux-mêmes d’autre part en tant que butée logicielle. Les paramètres enregistrés sont donnés en Annexe 6 (page 61).

1.9.4 Modèle cinématique de la plateforme

Cette plateforme parallèle a un modèle cinématique particulièrement simple, d’autant que nous prévoyons de n’utiliser que deux degrés de liberté. Ces deux degrés de liberté sont l’élévation de la roue avant et l’élévation de la roue arrière. Ils pourraient également être exprimés en termes d’élévation (par rapport au sol) et d’angle de tangage mais cette seconde formulation nous semble moins pertinente. Une élévation différente de l’avant et de l’arrière ou autrement dit, une inclinaison en tangage, provoque une très légère translation des points d’appuis sur le sol. Cette translation5 est de l’ordre de 4 mm pour une différence de hauteur des roues de 10 cm et elle est nettement inférieure au millimètre pour la gamme de mouvements dans laquelle nous prévoyons de travailler (débattements inférieurs au cm). Elle peut donc être négligée. Enfin, le roulis de la structure est maintenu à zéro en contrôlant les deux actionneurs arrières de façon identique. Rappelons qu’un mécanisme passif permet déjà au vélo de s’incliner en roulis lorsque les participants se penchent sur le côté.

Figure 19 : Représentation de la plateforme pour le modèle cinématique.

Nous obtenons le modèle cinématique suivant, permettant de calculer les coordonnées du vélo à partir de l’extension des vérins :

h1 = (h3-h0).d1/d3 + h0 h2 = (h3-h0).d2/d3 + h0

Le modèle cinématique inverse est le suivant, permettant de calculer la consigne à donner aux vérins (en termes d’extension) à partir des coordonnées souhaitées pour le vélo :

h0 = h1 - (h2-h1).d1/(d2-d1) h3 = h1 + (h2-h1).(d3-d1)/(d2-d1)

5 _{La translation des points d’appuis sur le sol peut être calculée par le théorème de Pythagore : empattementAvecTangage}

= (différenceDeSortieDesVérins^2 + empattementInitial^2)^0.5. La translation des points d’appuis correspond à la différence des deux empattements, avec et sans tagage.

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1.10 Contrôle du mouvement

1.10.1 Paramétrage des contrôleurs ; contrôle par PDO

Bien qu’ils soient du même constructeur et similaires aux contrôleurs utilisés sur d’autres simulateurs de l’institut (simulateurs moto et lacet), ceux du simulateur vélo utilisent un protocole de communication plus récent, le DSP402 (contre le DSP401 pour les autres simulateurs). Il a donc été nécessaire de reprendre complètement le paramétrage et de reconstruire les fonctions d’initialisation et de commande.

Les contrôleurs sont paramétrés à trois niveaux différents, selon les paramètres à modifier :

- Les paramètres les plus simples se modifient directement dans le logiciel DriveManager en se connectant au contrôleur par le port série.

- D’autres paramètres, moins accessibles, se modifient également avec le logiciel DriveManager mais en modifiant les registres du contrôleur, accessibles dans un menu avancé.

- D’autres enfin, plus difficiles d’accès, se modifient en envoyant certaines trames CAN au contrôleur.

Les premiers tests de contrôle ont été réalisés par la construction de trames CAN à la main (figure ci-dessous), dans un utilitaire spécifique (PCANView). Il a ensuite été possible, toujours à la main, d’envoyer et recevoir les informations par utilisation des PDO (process data object) qui, une fois paramétrés, simplifient la transmission des consignes.

Figure 20 : Construction de trames CAN de commande à la main dans l’interface PCANView. Cas de l’utilisation des PDO 1 et 2 selon le mode 2.

Les méthodes d’initialisation et de construction des trames en utilisant le complément à 2 ont été programmées dans Simulink, incluant la gestion de l’initialisation et l’utilisation des PDO. La Figure 21 présente cette partie du modèle Simulink.

La transmission d’une consigne au contrôleur se fait par l’envoi de trois trames CAN : une trame de 8 octets pour transmettre les consignes de position et de vitesse (2x4 octets) puis 2 trames courtes (3 octets chacune) pour créer le front montant déclenchant la prise en compte de la nouvelle consigne. La consigne de position est calculée à chaque pas de temps alors que la consigne de vitesse a une valeur constante correspondant à une vitesse maximale. Le contrôle du déplacement se fait ainsi en position uniquement.

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Une trame est envoyée toutes les millisecondes en alternant entre les trois contrôleurs. Puisque trois trames sont nécessaires pour l’envoi d’une consigne, chaque contrôleur reçoit une nouvelle consigne toutes les 9 ms. Le contrôle des actionneurs se fait ainsi à une fréquence de 110 Hz.

Figure 21 : Partie du modèle Simulink chargé de l’initialisation et du contrôle des actionneurs.

1.10.2 Game de mouvements pouvant être produits

Compte tenu des contraintes d’amplitude et d’accélération décrites en section 1.9.3 (page 26), la gamme de mouvements pouvant être produits est décrite ci-dessous.

- L’accélération est limitée à +/-1g pour éviter que la plateforme de décolle du sol. Cette limite est paramétrée dans les contrôleurs, dans l’armoire électrique.

- L’amplitude du mouvement est limitée à +/-5mm pour éviter que la plateforme ne heurte le plancher en bois. Cette limite est renseignée dans le modèle Simulink. Des fins de course logicielles avec un débattement de +/-1 cm sont également renseignées dans les contrôleurs.

- Les limites d’accélération de de débattement contraignent la vitesse de déplacement.

- La fréquence est limitée à environ 10 Hz pour ne pas détériorer les vérins. Cette limite est mise en œuvre grâce à un filtre de premier ordre dans le modèle Simulink. Sans ce filtre, les actionneurs peuvent atteindre 20 Hz mais cela génère de fortes sollicitations mécaniques.

Ces limites entrainent plusieurs conséquences :

- L’amplitude est limitée à +/-2.5 mm lorsque la fréquence est de 10 Hz à cause de la limite d’accélération.

- L’amplitude maximale (+/-5 mm) peut être atteinte pour les fréquences allant jusqu’à 7 Hz.

- La vitesse maximale atteignable est de 0.22 m/s. Cette vitesse est atteinte avec une sinusoïde de +/-5 mm à 7 Hz. Pour les fréquences plus hautes et plus basses, la vitesse maximale sera plus petite (à cause des limites d’accélération et d’amplitude).

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1.11 Tests de poursuite

1.11.1 Vérin sur table

Les premiers tests de poursuite ont été menés sur table, avec une commande « classique » : envoi des paramètres de consigne dans les registres puis déclenchement du mouvement (utilisation du « status word » et du « control word »). Ce mode de fonctionnement est grand consommateur de bande passante sur le bus CAN : envoi de plusieurs messages pour chaque nouvelle consigne. L’une des conséquences observées est la mise en défaut régulière des contrôleurs probablement lié à la mauvaise transmission des messages de consigne. Ce problème a pu être résolu par l’utilisation des PDO (process data object). Il faut pour cela, paramétrer les PDO des contrôleurs en fonction du type de contrôle souhaité (e.g., en vitesse ou en position).

Les premiers tests sur table montrent une limite de l’accélération autour de 3 m/s2_{. Des tests itératifs ont été} menés pour identifier le rôle des différents paramètres des contrôleurs (asservissement de position et de vitesse) et trouver une combinaison de paramètres satisfaisante. Ces paramètres sont accessibles avec logiciel DriveManager de Lust (LTi motion) en connectant le port série de l’ordinateur au contrôleur.

Après avoir comparé plusieurs jeux de paramètres et convergé progressivement, nous avons retenu un jeu de paramètres qui nous semble satisfaisant. La configuration obtenue permet de répondre à un échelon avec un retard de 30 ms et d’atteindre la consigne en 100 ms. Elle permet également d’atteindre une fréquence de 10 Hz avec une amplitude de 4 mm, correspondant à une accélération légèrement inférieure à 1g. Les informations complémentaires sur les paramètres et le jeu de paramètres retenus sont donnés en Annexe 1 (page 73).

1.11.2 Réponse fréquentielle du démonstrateur

Les tests réalisés avec le démonstrateur montrent que la structure peut être mise en mouvement avec des vibrations pouvant aller jusqu’aux environs de 20 Hz et les contrôleurs compensent assez rapidement la variation de masse lorsqu’une personne s’installe sur le siège.

Des tests de poursuite ont été réalisés avec personne sur le siège, pour des fréquences allant de 1 à 20 Hz, pour des combinaisons amplitude x vitesse correspondant à trois accélérations : 0.493m/s2_{, 1.97m/s}2_{, 7.89m/s}2_{. Les} accélérations choisies sont inférieures à 9.81 m/s2 _{pour que la structure reste posée au sol (que les tiges de} vérin ne décollent pas du sol). Ces combinaisons sont reportées dans le tableau ci-dessous. Le calcul des accélérations et le résultat des tests de poursuite sont donnés en Annexe 1 (page 74).

Accélération Fréquence 0.493 m/s2 _{1.97 m/s}2 _{7.89 m/s}2 1.25 Hz 8 mm 32 mm 2.5 Hz 2 mm 8 mm 32 mm 5 Hz 0.5 mm 2 mm 8 mm 10 Hz 0.5 mm 2 mm 20 Hz 0.5 mm

Tableau 3 : Signaux (sinusoïdes) pour lesquels la réponse fréquentielle du démonstrateur a été testée : amplitude en fonction de la fréquence et de l’accélération.

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Figure 22 : Réponse fréquentielle du démonstrateur (gain, déphasage et retard) pour des sinusoïdes de différentes fréquences et amplitudes.

Les résultats des tests de poursuite sont également donnés dans la figure ci-dessus. Nous constatons que le gain du système est assez peu affecté par l’accélération dans la gamme testée (0.5 à 8 m/s2 _{environ). Il est en} revanche dépendant de l’amplitude du mouvement. Si les grands débattements (amplitudes de 8 et 32 mm) peuvent être produits avec un gain proche de 1, ce n’est pas le cas des petits débattements en particulier du plus petit (amplitude de 0.5 mm).

Le déphasage augmente presque linéairement avec la fréquence puisqu’il s’agit approximativement d’un retard pur. Ce retard de l’ordre de 40 ms (entre 35 et 45) semble être lié à la transmission de la consigne aux contrôleurs, sans que l’on ait pu identifier la source exacte. En effet, ce retard décale la réponse dans le temps sans affecter sa qualité (ce n’est pas un problème d’inertie), suggérant qu’il est en partie lié à une mémoire tampon de type FIFO.

32

1.12

Génération d’un signal de synthèse composite

Trois types de signaux peuvent être générés pour la commande des vérins. Il peut s’agit d’une sinusoïde simple, d’un signal de synthèse composite ou de la reproduction d’un enregistrement. Cette section décrit la production du signal de synthèse composite (Figure 23).

Figure 23 : Principe de construction du signal composite.

1.12.1 Sinusoïde dont l’amplitude et la fréquence sont variables

Nous avons tenté de reproduire les principales caractéristiques des signaux enregistrés sur la piste des Nantes avec un signal simple, une sinusoïde.

Comme nous l’avons vu en section 1.5.3 (page 18), l’amplitude du signal augmente avec la vitesse, sans en être proportionnelle. L’analyse spectrale (page 17) montre par ailleurs que le pic d’énergie observé dans les basses fréquences (5 à 20 Hz) a une légère tendance à se décaler vers les hautes fréquences lorsque la vitesse du vélo augmente. Nous choisissons de modéliser cela par une sinusoïde dont la fréquence et l’amplitude – l’accélération - augmentent avec la racine carrée de la vitesse du vélo : fréquence = F.sqrt(v) et accélération = A.sqrt(v). Pour déterminer la valeur du paramètre F, nous choisissons d’atteindre la plus haute fréquence (10 Hz) pour l’une des vitesses les plus élevées (30 km/h). Après essais, le paramètre A est fixé à 0.2 de façon empirique. Les premiers tests montrent que cette stratégie n’est pas adaptée. Compte-tenu des fréquences plus faibles à basse vitesse et de la double intégration pour passer de l’accélération à la position, l’amplitude des mouvements est plus grande à basse vitesse qu’à haute vitesse et est, de fait, beaucoup trop grande pour les faibles vitesses.

Pour éviter ce problème, nous proposons donc de calculer directement l’amplitude du mouvement (en termes de position) sans utiliser la double intégration. Nous choisissons par ailleurs de faire varier la fréquence et l’amplitude proportionnellement à la vitesse du vélo. Le modèle implanté est le suivant :

ConsigneDePosition = amplitude . sin(2.π.fréquence.t), avec :

fréquence = F. vitesseVélo où F est choisi pour obtenir une fréquence de 10 Hz à 30 km/h amplitude = A.vitesseVélo où A est choisi pour obtenir une amplitude de 0.5 mm à 30 km/h

Retard :

Δt = e/v

Signal avant

Signal arrière

Sinusoïde

Impulsions

Composante

basse fréquence

+

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Une sinusoïde est habituellement calculée de façon simple par cette formule : signal = A.sin(2.π.f.t). Cette méthode de calcul simple et évidente ne peut cependant pas convenir dans notre cas. En effet, le temps t est compté depuis le début de la simulation et peut atteindre plusieurs centaines de secondes et autant de parcours du cercle trigonométrique. La conséquence est qu’une très légère modification du facteur multiplicatif f (la fréquence) entraine plusieurs tours de cercles trigonométriques et produit un signal aléatoire au lieu d’être sinusoïdal.

Pour éviter ce problème, nous choisissons de calculer l’angle courant sur le cercle trigonométrique θ en fonction du temps et de la fréquence souhaitée et de le ramener à zéro lorsqu’il atteint 360°. Nous obtenons ainsi un calcul en deux étapes : signal = A.sin(θ) où θ = 2.π.f.(t – tprécédent) avec θ ne pouvant dépasser 360°. Cette technique donne les résultats attendus puisqu’elle permet de faire varier la fréquence de la sinusoïde en temps réel.

1.12.2 Adjonction d’impulsions à amplitude et intervalle aléatoires

Des impulsions à amplitude et intervalle aléatoires sont ajoutées au signal pour simuler les défauts de la chaussée. L’occurrence des impulsions est calculée à partir de la distance parcourue par le vélo où la distance entre les évènements est aléatoire entre 0 et 5 m. Par ailleurs, l’amplitude des impulsions est également aléatoire avec une distribution normale. L’écart-type de cette distribution est proportionnel à la vitesse du vélo avec un écart-type de 1 mm à 30 km/h. Enfin, les impulsions ont toutes une durée de 0.1 s.

1.12.3 Ajout d’une composante basse fréquence

Les mouvements des vérins dans notre utilisation sont de toute petite amplitude par rapport à une utilisation classique dans l’industrie et avec des fréquences plus élevées (jusqu’à 10 Hz). Pour éviter d’abîmer la vis et les billes dans la zone de travail (éviter de mater le métal), nous avons décidé d’ajouter une composante basse fréquence pour que la zone de travail ne soit pas toujours la même. Cette composante est une simple sinusoïde d’amplitude +/-2 mm avec une période de 12 s (fréquence 0.08 Hz).

1.12.4 Retard temporel entre le vérin avant et les vérins arrière

Les impulsions sont des évènements saillants qui peuvent être identifiés par les participants. Dans la mesure où ils simulent les défauts de la chaussée, il convient de respecter le décalage temporel entre ce qui peut être ressenti à l’avant du vélo et à l’arrière du vélo. Nous avons donc appliqué un délai variable entre le signal de commande envoyé au contrôleur avant et celui envoyé aux contrôleurs arrières. Le délai d (retard pur) est calculé à partir de la vitesse du vélo v et de l’empattement (e = 1.09 m) entre la roue avant et la roue arrière : Δt = e/v. Le délai est compris entre 0.13 s à 30 km/h et 2 s à 2 km/h (valeur maximale que nous autorisons). Simulink propose une brique « variable delay » qui répond à ce besoin. Le fonctionnement de cette brique n’est pas parfait pour les vitesses les plus faibles (délais très longs et variables) mais les défauts de fonctionnement ne sont pas ressentis puisque l’amplitude des vibrations est négligeable à basse vitesses. Nous conservons donc la brique disponible dans Simulink.

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Figure 24 : Exemple de signal de synthèse composite où la sinusoïde et les impulsions sont visibles. Dans cet exemple, la vitesse du vélo augmente jusqu’à 20 secondes puis diminue progressivement. A noter que la composante basse fréquence n’est pas présente dans ce signal.

1.13

Reproduction d’un enregistrement

Une seconde option technique est de reproduire directement les signaux enregistrés. Les vibrations produites sont ainsi plus fidèles au signal d’origine mais il est compliqué d’en faire varier les paramètres, notamment les paramètres physiques (vitesse du vélo, suspension…). L’un des signaux enregistrés sur la piste de Nantes a ainsi été reproduit en lisant les données de l’enregistrement. Cette lecture se fait dans un premier temps à vitesse constante. Nous pourrons à l’avenir moduler la vitesse de lecture en fonction de la vitesse du vélo. Le retard temporel des vérins arrière par rapport au vérin avant est également mis en œuvre lors de la reproduction de l’enregistrement.

Figure 25 : Exemple de signal enregistré sur les pistes de Nantes et reproduit sur le simulateur. Dans cet exemple, la vitesse du vélo augmente jusqu’à environ 15 secondes puis diminue progressivement.