Centrale proprioceptive pour simulateur de conduite

Domaine de l’invention

La présente invention concerne une centrale de conduite ou de pilotage proprioceptive, immersive, adaptative et connectée, destinée à générer des effets de proprioception notamment lors d’accélérations, de freinages et de virages lors de la conduite d’un véhicule.

Etat de la technique

On connaît par exemple par le document WO2018185658A1 une centrale proprioceptive comprenant des arceaux de guidage mécanique permettant de déplacer un siège pour un utilisateur selon des trajectoires incurvées.

Dans une telle centrale il devient également possible de supprimer les arceaux de support mécanique du siège qui existaient dans l’art antérieur et notamment dans le document, les accélérations étant ici créées grâce au pilotage électronique de mouvements indépendants.

Résumé de l’invention

Elle concerne plus particulièrement une nouvelle centrale dynamique pouvant supporter tout type de siège ou cabine pouvant recevoir un ou des conducteurs ou pilotes, et procurant de façon particulièrement efficace, fiable et compacte des accélérations gravitationnelles à l'aide de combinaisons particulières de déplacements.

On propose à cet effet selon un premier aspect une centrale proprioceptive comprenant une première structure portant un siège ou cabine orienté dans une direction avant/arrière, une liaison pivotante autour d’un axe horizontal entre la première structure et une deuxième structure, la deuxième structure étant déformable selon la géométrie d’un trapèze isocèle déformable entre ladite liaison pivotante et une base de la deuxième structure, et un moyen de guidage pour déplacer la base selon un trajet linéaire avant/arrière sur un support, un premier actionneur pour commander le déplacement en pivotement de la première structure par rapport à la deuxième structure, un deuxième actionneur pour commander la déformation de la deuxième structure, et un troisième actionneur pour commander le déplacement en translation de la deuxième structure par rapport au support, et des moyens de commande coordonnée des premier, deuxième et troisième actionneurs.

La centrale comprend facultativement les caractéristiques additionnelles suivantes, prises individuellement ou en toutes combinaisons que la personne du métier appréhendera comme étant techniquement compatibles entre elles :

* le trapèze isocèle déterminant la géométrie de déformation de la deuxième structure possède un sommet dont la longueur est comprise entre 60 et 85 % de la longueur de la base, et des bras latéraux dont la longueur est comprise entre 55 et 75 % de la longueur de la base.

* le premier actionneur comprend un vérin opérant entre des points de la première structure et de la deuxième structure éloignés de ladite liaison pivotante.

* le deuxième actionneur comprend un vérin opérant entre des régions opposées du trapèze isocèle déformable.

* la liaison pivotante entre les première et deuxième structure est située en un emplacement situé plus bas que l’une région du siège ou cabine où la tête de l’utilisateur est destinée à être située, et les moyens de commande coordonnée sont aptes à commander le premier actionneur et le troisième actionneur de telle manière qu’un déplacement horizontal de ladite région soit minimisé.

* la centrale comprend en outre un dispositif d’affichage d’un environnement virtuel pour un utilisateur installé dans le siège ou cabine.

* le dispositif d’affichage comprend au moins un écran assujetti à un support déplaçable, et un dispositif de commande du déplacement du dispositif d’affichage en fonction du déplacement du siège ou cabine.

* la centrale comprend en outre un écran de masquage de l’environnement réel autour de la centrale et du dispositif d’affichage. On propose également un système de simulation, notamment simulation de conduite, comprenant une centrale proprioceptive telle que définie ci-dessus, des moyens capteurs pour détecter des actions de conduite par un utilisateur installé dans la centrale, un dispositif d’affichage pour l’utilisateur, et un dispositif de commande répondant aux signaux fournis par les moyens capteurs pour commander de façon coordonnée une scène dynamique représentée par le dispositif d’affichage et les déplacements de la centrale à l’aide de ses actionneurs.

Brève description des dessins

D’autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d’exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés.

Sur les dessins :

- les Figs. 1A et 1 B sont respectivement une vue de côté et une vue de face d’une centrale proprioceptive selon l’invention, dans une position neutre,

- les Figs. 2A-2B à 6A-6B sont respectivement des vues de côté et de face de la centrale des Figs. 1A et 1 B, dans des positions déplacées par rapport à la position neutre,

- les Figs. 7A à 7H illustrent différentes postures de la centrale pour différentes commandes au niveau de deux actionneurs de la centrale, et

- la Fig. 8 représente une superposition de différentes postures de la centrale pour en montrer une certaine propriété géométrique.

Description détaillée de forme de réalisation préférées

On notera à titre préliminaire que d’une figure à l’autre, des éléments ou parties identiques ou similaires sont désignés dans la mesure du possible par les mêmes signes de référence, et ne seront pas décrits à chaque fois.

En référence tout d’abord aux Figs. 1A et 1 B, on a représenté une centrale de conduite proprioceptive, immersive, adaptative et connectée dans un état initial ou position neutre. Les directions longitudinale X, transversale Y et verticale Z sont illustrées sur ces figures.

La centrale comprend une partie supérieure 100 comprenant une plateforme 110 portant un poste de conduite 120 comprenant un siège 122 et des éléments de commande, ici un bloc 124 comportant un volant 125 et des pédales 126. Ces éléments sont reliés à des capteurs appropriés, de façon connue en soi.

La partie supérieure 100 est portée par une structure intermédiaire mobile 200 qui forme en section transversale un trapèze isocèle déformable 220, cette structure comprenant une liaison 210 pivotante autour d’un axe parallèle à Y entre une région supérieure 221 du trapèze et la plateforme 110, tandis qu’un vérin 230 comprenant un corps de vérin 231 et une tige de vérin 232 opère entre ladite région supérieure 221 et la plateforme 110, en y étant relié selon des liaisons pivotantes d’axes parallèles à l’axe transversal Y, pour commander le pivotement de ladite plateforme 110 et donc du poste de conduite 120 comme on le verra en détail plus loin.

Les deux bras latéraux du trapèze 220 sont désignés par les références 222 et 223 sur la Figure 1B. Sa base est désignée par la référence 224. On notera que la stabilité de la structure intermédiaire par rapport à une rotation autour de l’axe horizontal transversal est obtenue de préférence en prévoyant deux trapèzes déformables, respectivement avant et arrière, désignés par les références 220av et 220ar. La déformabilité des trapèzes est obtenue par des liaisons pivotantes autour d’axes respectifs orientés selon l’axe longitudinal horizontal X (axe perpendiculaire au dessin de la Fig. 1 B).

La base 224 du ou des trapèzes déformables est définie par une plateforme 230 de la structure intermédiaire, cette plateforme portant des roues 231 par lesquelles elle peut se déplacer avec guidage sur des rails horizontaux 310 portés par une structure au sol fixe 300, les rails 310 étant orientés dans la direction avant/arrière ou longitudinale X. La déformation du ou des trapèzes est assurée ici par un vérin 240 comprenant un corps de vérin 241 et une tige de vérin 242, vérin qui opère entre la région d’un coin inférieur du trapèze déformable 220 et la région du coin supérieur opposé, en étant attaché au trapèze dans ces régions avec possibilité de pivotement selon un axe orienté selon la direction X.

La déplacement avant arrière des structures 100 et 200 sur les rails est assuré par un moteur 250 ou encore un vérin.

La centrale comprend une unité de commande qui reçoit en entrée les signaux captés au niveau des pédales et du volant (accélérations, freinages et changements de direction), pour d’une part commander le déroulement d’une représentation en réalité virtuelle soit dans un casque de réalité virtuelle, soit sur un ou plusieurs écrans d’affichage entourant l’utilisateur de façon immersive, et d’autre part pour commander les déplacements du poste de conduite 120 par commande des vérins 230, 240 et du moteur 250 pour appliquer au corps de l’utilisateur les accélérations et orientations correspondantes.

De préférence, les vérins 230, 240 et le moteur (ou vérin) 250 sont de type électrique.

Les Figures 2A, 2B à 6A, 6B représentent la centrale avec différentes positions du poste de conduite 120.

Sur les figures 2A et 3B, le vérin 240 a été actionné pour pencher le poste de conduite vers la gauche (par rapport au sens de la conduite), ce qui va générer pour l’utilisateur une force latérale vers la gauche ; ceci correspond typiquement à la force subie lors d’un virage vers la droite ; cet effet est ajustable typiquement en fonction de la courbure du virage et de la vitesse à laquelle il est pris.

Sur les Figures 3A et 3B, le poste de conduite est penché du côté opposé.

Sur les Figs. 4A et 4B, le poste de conduite 120 à l’aide du vérin 230 est incliné pour que l’utilisateur soit penché vers l’avant, appliquant ainsi à ce dernier une force correspondant à celle d’un freinage. L’inclinaison varie en fonction de la force de freinage, et cet effet peut être combiné à un déplacement de la centrale sur les rails 310 à l’aide du moteur 250, notamment si un effet de choc frontal est recherché.

Les Figs. 5A et 5B illustrent l’inclinaison du poste de conduite 120 dans le sens inverse, correspondant à une situation d’accélération du véhicule, l’inclinaison étant pilotée pour être d’autant plus grande que l’une accélération forte est simulée. De même, un déplacement le long des rails 310 peut être appliqué par le moteur 250 pour simuler une choc arrière.

Les Figures 6A et 6B illustrent le cas d’un freinage en virage, le poste de conduite 120 étant à la fois penché vers l’avant et vers la droite, grâce à une combinaison des actions des vérins 230 et 240.

On comprend qu’en combinant de façon judicieuse les commandes au niveau des vérins 230, 240 et du moteur (ou vérin) 250, on peut réaliser de très nombreux effets de proprioception, en minimisant les effets néfastes lorsque liés notamment au déplacement de la tête en translation.

A ce sujet, on notera que le recours à la déformation d’un trapèze isocèle permet, d’éviter que la tête de l’utilisateur ne franchisse l'axe de rotation du siège à l'initialisation du mouvement, ceci de façon qu'elle résiste à la force centrifuge produite par cette inclinaison. La conception de ces trapèzes répond pour arriver à ce résultat à des choix relativement précis des longueurs respectives de la base, du sommet et des bras latéraux. Dans un exemple particulier, ces dimensions sont de 60 cm pour la base, de 50 cm pour le sommet et de 35 cm pour les bras latéraux. Plus généralement, on adopte pour le sommet une longueur comprise entre 60 et 85 % de la longueur de la base, et pour les bras latéraux une longueur comprise entre 55 et 75 % de la longueur de la base.

On observe par ailleurs que la rotation du poste de conduite 120 par rapport à la structure 200 autour de l’axe s’étendant selon la direction Y (liaison 210) peut s’effectuer à la base du siège 122 comme illustré ou en tout autre emplacement approprié, étant noté que la combinaison d’un pivotement vers l’avant ou vers l’arrière et d’une translation le long des rails 310 pourra être optimisé en fonction des signaux délivrés par des capteurs de position équipant le casque de réalité virtuelle au moment où le pilote s'en équipe.

Par rapport à un déplacement du poste de conduite sur des arceaux comme illustré dans le document WO2018185658A1 , la cinématique obtenue grâce à la déformation, dans un plan transversal YZ, d’un trapèze isocèle déformable, apporte plusieurs avantages :

- pour un même déplacement latéral, elle permet d'augmenter significativement l'angle d'inclinaison, ce qui permet de ressentir une quantité d'accélération supérieure pour un déplacement latéral donné,

- elle facilite la tenue et donc le guidage du poste de conduite, la conception et la réalisation de celui-ci étant plus complexes, et sa stabilité plus délicate, lorsqu’il doit rouler sur des arceaux,

- enfin elle évite, lors des inclinaisons autour d’un axe parallèle à la direction Y (typiquement en cas d’accélérations/freinages violents), d’avoir à faire remonter le poste de conduite le long des arceaux, ce qui nécessiterait des moteurs beaucoup plus puissants pour vaincre la force de gravité et le recours à des systèmes d’équilibrage des masses en mouvement qui seraient lourds, complexes et pas toujours fiables,

- au contraire, dans la présente invention le siège ne fait, tout en se déplaçant concomitamment, que pivoter par rapport à son axe selon la direction Y avec des masses équilibrées de part et d’autre, ce qui permet de limiter le besoin de puissance des deux vérins ;

- elle permet néanmoins de réduite au minimum les déplacements de la tête du conducteur, ceci reposant sur deux actions de pilotage des mouvements :

1) lors de l’installation du conducteur, la position de la tête (en fait de l’oreille interne) est repérée à l’aide de capteurs, par exemple des capteurs externes équipant un casque de réalité virtuelle (capteurs équipant notamment un casque du commerce fabriqué par la société HTC, Taipei, connu sous la dénomination « Vive Pro », ou encore de tout capteur approprié en cas d’images projetées sur écrans, cette position étant utilisée comme position de référence pour la commande des mouvements du siège

2) ensuite, l’unité de commande réalise systématiquement et automatiquement une compensation du déplacement longitudinal de la tête procuré par la rotation du siège en réalisant un déplacement opposé de même valeur à l’aide du moteur 250 le long des rails 310, de façon à ce qu’essentiellement elle n’avance pas ou ne recule pas (elle ne fait en fait que monter ou descendre avec le corps selon une droite ou un léger arc de cercle, comme illustré sur les Figs. 7A à 7H). C’est cette cinématique avec mise en inclinaison du corps qui permet de procurer de façon gravitationnelle des décélérations, jusqu’aux plus fortes, sans ressentir l’effet parasite majeur du recul du bassin ou des reins que l’on ressent avec un mouvement de basculement non corrigé de cette façon.

Les Figs. 7A à 7H montrent pour différents réglages du vérin 230 et du moteur (ou vérin) 250, la distance prise horizontalement entre la tête et la liaison pivotante 210, et la façon dont le haut du corps se déplace de façon tangentielle à un arc de cercle vertical. La distance de recul du siège par rapport à son axe de rotation 210, de préférence de l’ordre de 550 à 600 mm selon la taille et la position de l’utilisateur, permet de procurer sans effet parasite, par simple rotation au niveau de la liaison pivotante 210 entre les structures 100 et 200, une accélération ascensionnelle ou descendante créant un effet de soulèvement et de retombée du siège très réaliste en cas de décollage du véhicule dû à un dos d’âne ou de franchissement d’un ralentisseur, d’un terre-plein ou d’une bordure de trottoir.

A l’inverse, il est aussi possible, pour créer un effet d’accélération plus longue ou plus forte, de ne plus compenser tous les déplacements longitudinaux de la tête, pourvu que celle-ci avance alors à l’initialisation du mouvement. Ainsi les Figs. 7A (position neutre) et 7B à 7F montrent qu’en faisant basculer la structure 100 vers l’avant de différents angles tout en reculant l’ensemble des structures 100 et 200 de distances déterminées correspondantes, la tête de l’utilisateur (ici plus précisément l’appuie-tête du siège 122) ne subit aucune composante de déplacement horizontal, alors que différentes intensités de freinages sont simulées (angles de basculement différents de la structure 100). La Fig. 8 qui représente une superposition de nombreuses vues de la centrale dans différentes positions, montre clairement que la tête de l’utilisateur, préalablement repérée par le ou les capteurs du casque de réalité virtuelle ou autres comme précitée, et donc la position est prise en compte pour piloter les mouvements du vérin 230 et du moteur (ou vérin) 250, se déplace selon une trajectoire rectiligne généralement verticale V lors des changements de position exercés pour simuler une accélération ou un freinage.

Inversement, les Figs. 7G et 7H montrent le même effet pour deux inclinaisons de la structure 100 vers l’arrière, simulant deux niveaux d’accélération sans que la tête de l’utilisateur ne subisse un déplacement horizontal substantiel.

Comme on l’a indiqué plus haut, la centrale décrite ci-dessus peut être complétée par l'adjonction de N écrans d’affichage panoramiques (typiquement trois écrans) disposés côte-à-côte avec des inclinaisons adaptées, remplaçant le casque de réalité virtuelle.

Plutôt que d'incorporer ces écrans dans la structure support du pédalier et du volant, ce qui la déséquilibrerait, l'alourdirait, et créerait un encombrement latéral du simulateur consommateur d'espace, tout en obligeant au développement industriel d'un modèle spécifique, selon un autre aspect (non illustré), la centrale incorpore un bras télescopique à mouvements pilotés en synchronisme avec ceux du poste de conduite et supportant les écrans, ce bras étant monté sur un support fixe par exemple au plafond d’un local dans lequel est installée la centrale. La structure support des écrans incorpore alors avantageusement un voile pivotant à ses deux extrémités sur son axe horizontal de façon à occulter pour les différentes positions possibles du siège, l'espace visuel correspondant au référentiel terrestre, et éviter les effets de nausées du conducteur.

A l'arrêt, le bras peut avantageusement se déployer en position "conférencier" pour projeter à tour de rôle les parcours de conduite des élèves lors des sessions de restitution et d'échanges par l'éducateur, avec le voile en position anti-réfléchissante et faisant office de caisse de résonance phonique au-dessus des écrans.

Bien entendu, la présente invention n’est nullement limitée aux formes de réalisation décrites et représentées, mais la personne du métier saura y apporter de nombreuses variantes et modifications.

Elle s’applique à la simulation de conduite de véhicules, notamment véhicules terrestres à roues, plus particulièrement véhicules automobiles.