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.. Initiative ciblée VibraSimu - Rapport final. [Rapport de recherche] IFSTTAR - Institut Français des
Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des Réseaux. 2020, 90p. hal03027667
HAL Id: hal-03027667
https://hal.science/hal-03027667
Submitted on 4 Dec 2020
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INSTITUT FRANÇAIS
DES SCIENCES
ET TECHNOLOGIES
DES TRANSPORTS,
DE L'AMÉNAGEMENT
ET DES RÉSEAUX
Initiative ciblée VibraSimu
Rapport final
Contact :
CARO Stéphane
Téléphone : 01 81 66 85 59
[email protected]
Projet mené de 2017 à 2019
Stéphane Caro
Jean-Marie Prual
Sio-Song Ieng
Alex Coiret
Pierre-Olivier Vandanjon
Nadine Chaurand
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)
Confidentialité :
Document ouvert à la diffusion
Rév 23/03/17
Auteurs :
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
COSYS / LEPSIS
AME / EASE
COSYS / LEPSIS
AME / EASE
AME / EASE
AME / LPC
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
1.8
1.9
1.10
1.11
1.12
1.13
Choix de la solution technique ................................................................................. 22
Montage électrique .................................................................................................. 24
Montage mécanique ................................................................................................ 25
Contrôle du mouvement ........................................................................................... 28
Tests de poursuite ................................................................................................... 30
Génération d’un signal de synthèse composite........................................................ 32
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
Annexe 8.
Transformée de Fourrier des signaux ....................................... 67
3
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
Annexe 14.
Test des vérins sur table (par Randy Bomolo) ...................... 89
4
1. PRESENTATION 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
Résultats attendus : version améliorée du simulateur vélo
5
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. ETAT 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.
6
3. RECUEIL 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.
Figure 2 : Mesures prises sur le vélo utilisé pour le recueil de données.
7
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 T7PRO).
8
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).
9
Figure 4 : Conception et réalisation des deux supports de smaprtphones.
Les deux supports de smartphones permettent également de fixer les accéléromètres Meggitt présentés cidessus. Ils ont ainsi été utilisés pour cette campagne de mesure afin de comparer les signaux acquis sur les
accéléromètres et sur les smartphones.
10
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).
11
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).
Figure 7 : Surface composée de pavés en béton.
12
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. Basgauche : 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.
13
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
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 3ème 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
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
14
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.
15
4. ANALYSE 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.
16
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.
Basse vitesse
Revêtement
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?).
17
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.
18
Figure 12 : 85ème percentile de l’accélération [m/s2] en fonction du revettement et de la vitesse.
Deux vitesses confondues
A basse vitesse
A haute vitesse
Figure 13 : 85ème percentile de l’accélération [m/s2] 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).
19
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").
20
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.
21
5. PRODUCTION 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 INSAPSA (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 hautparleur. 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
22
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.
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.
2
23
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.
Figure 15 : Photos de l’armoire électrique et des trois contrôleurs.
24
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.
25
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
26
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)
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.
5
27
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.
28
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).
29
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/s2, 7.89m/s2. 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).
0.493 m/s2
1.97 m/s2
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
0.5 mm
2 mm
Accélération
7.89 m/s2
Fréquence
10 Hz
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.
30
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.
31
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).
Sinusoïde
Signal avant
Impulsions
+
Composante
basse fréquence
Retard :
Δt = e/v
Signal arrière
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
32
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.
33
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.
34
6. EVALUATION DU SIMULATEUR
Il était initialement envisagé d’évaluer le simulateur doté du rendu vibratoire auprès de quelques participants.
Nous avons finalement décidé de ne pas conduire une expérimentation avec ce seul objectif. L’évaluation du
rendu vibratoire est notamment associée à un travail de recherche plus complet, dans le cadre de la thèse de
Murad Shoman, financée par le projet Marie Curie SaferUp. Voir par exemple Shoman & Imine (2020).
7. BILAN ET POURSUITE DU TRAVAIL
L’initiative ciblée VibraSimu a été financée par la direction scientifique de l’IFSTTAR et a été menée de 2017 à
2019. Elle s’appuie sur des contributions antérieures pour les trois volets du projet. Les enregistrements sur
piste ont ainsi bénéficié du vélo instrumenté du laboratoire EASE. Ils ont également bénéficié du programme
d’enregistrement sur smartphone dont le développement était déjà initié. Enfin, l’amélioration du simulateur
vélo par l’ajout de vérins était également initiée et a bénéficié des financements du projet ANR Cyclope.
Les travaux menés dans ce projet ont été de natures très variées : instrumentation et essais sur piste,
programmation Android, construction mécanique, automatique, traitement et modélisation des signaux. Cette
variété fait la richesse mais également la difficulté du projet. Des travaux complémentaires pourraient être
menés sur plusieurs aspects. D’une part, la bibliothèque de signaux enregistrés pourrait être complétée avec
des enregistrements réalisés sur une plus grande variété de terrains et avec différents types de vélo. La
modélisation pourrait ainsi être affinée et le modèle implanté sur le simulateur être amélioré en conséquence.
Au final, ce projet aura permis de constituer une bibliothèque de signaux et d’en offrir une
première modélisation. Il aura également permis de finaliser l’amélioration du simulateur
vélo qui possède désormais des caractéristiques uniques sur le plan international : la
capacité de produire les vibrations liées aux irrégularités de la chaussée.
35
8. BIBLIOGRAPHIE
Ahlström, C., Bolling, A., Sörensen, G., Eriksson, O., & Andersson, A. (2012). Validating speed and road surface
realism in VTI driving simulator III. VTI report 745A, Shake Project. ISSN 0347-6030.
Amari, M. (2009). Etude du confort vibro-acoustique automobile en simulateur. Thèse de doctorat de l’Institut
national des sciences appliquées.
Bolling, A., Jansson, J., Genell, A., Hjort, M., Lidström, M., Nordmark, Palmqvist, G., Sehammar, H., Sjögren, L., &
Ögren, M. (2010). SHAKE – An approach for realistic simulation of rough roads in a moving base driving
simulator. In : Proceedings of the driving simulation conference Europe.
Kawamura, A., Maeda, C., Shirakawa, T., Ishida, T., Nakatsuji, T., & Himeno, K. (2004). Applicability of a driving
simulator as a new tool for the pavement surface evaluation. Proceedings of the SIIV2004 International
Congress, Firenze, Italy.
Li, H., Buscheck, J., Harvey, J., Fitch, D., Reger, D., Wu, R., Ketchell, R., Hernandez, J., Haynes, B., & Thigpen, C.
(2017). Development of recommended guidlines for preservation treatments for bicycle routes. University of
California Pavement research center research report : UCPRC-RR-2016-02.
Rakhmatov, R., Abdulali, A., Hassan, W., Kim, M., & Jeon, S. (2018). Virtual reality bicycle with data-driven
vibrotactile responses from road surface textures. In : Proceedings of IEEE Games, Entertainment, Media
Conference (GEM), pp. 1-9. DOI : 10.1109/GEM.2018.8516277.
Shoman, M., & Imine, H. (2020). Effects of road surface characteristics & geometries on safer user behavior.
Papier présenté à la conférence JTR 2020 - JOURNÉES TECHNIQUES ROUTES, Nantes, France, Février 10-11.
Tomiyama, K, Kawamura, A., Takahashi, K., Ishida, T., & Nakatsuji, T. (2010). Implementation of Pavement Ride
Quality Assurance Based on a Driving Simulator and Physiological Signal.
36
ANNEXES
Annexe 1. PROPOSITION D’INITIATIVE CIBLEE TRANSMISE A LA DS
Fiche Outils Incitatifs :
création
prolongation
ORSI ou Collaboration structurante de recherche
Initiative ciblée
Animation d’un réseau
Les demandes de financement autres que celles d’animation sont à préciser à la fin de cette fiche pour les
montants 2016 et 2017, et en précisant dans la colonne « précisions », le détail de la demande
Fournir si possible une illustration du projet pour le programme de recherche
Acronyme : VibraSimu
Intitulé : Mesure et restitution de vibrations sur simulateur de déplacement
Axe de rattachement : 1
Mots-clés (6 maxi) : Vélo, vibrations, simulateur, instrumentation, uni de la chaussée
Responsable IFSTTAR
Axe de rattachement :
Stéphane Caro, Cosys/Lepsis
1
Durée : 2 ans (2017-2018)
Enjeux et objectifs (problématique et questionnement scientifiques, enjeux sociétaux concernés, aspect
stratégique et structurant pour l’Ifsttar (thématiques prioritaires, COP), connaissances préalables
(références bibliographiques)). (A titre indicatif, ½ page)
Les simulateurs de conduite et plus largement, les simulateurs de déplacement, s’appuient sur les technologies de la
réalité virtuelle. A ce titre, ils mettent en œuvre de multiples modèles et sources de données représentant les
différentes composantes du monde réel. Les modèles mis en œuvre portent par exemple sur le tracé et les
caractéristiques des routes, le comportement des autres usagers, la dynamique des véhicules, la propagation du son
et de la lumière…
Une large part des recherches menées à l’Ifsttar visent à étudier et à modéliser les mécanismes du monde réel, que
ce soit dans le domaine des sciences humaines ou des sciences de l’ingénieur. Les équipes de recherche de l’institut
créent ainsi une richesse - les modèles - qu’il est parfois possible de valoriser à travers leur implantation sur les
simulateurs de déplacement.
Il a ainsi été possible par le passé, d’implanter sur simulateur de conduite, certains aspects du comportement des
conducteurs (modèle Archisim), les effets du brouillard sur les feux des véhicules (projet Predit VOIR), et des modèles
de motorisation du LTE (R2I Modyves). Nous proposons de poursuivre cette démarche à travers une collaboration
entre Ease et le Lepsis en mesurant, en modélisant et en reproduisant les vibrations d'un vélo.
Le travail envisagé s'inscrit dans le pilier "modèles et outils logiciels" du département Cosys et dans l'axe 1 du COP
2013-2016 de l'Ifsttar. Il contribue à plusieurs objectifs de cet axe, tel que décrit ci-dessous.
39
Annexe - Proposition d’initiative ciblée transmise à la DS
Objectif D1 : Conception d'outils et de méthodes de modélisation et de simulation
La mise en œuvre d'une nouvelle modalité de restitution sensorielle sur le simulateur vélo (restitution des irrégularités
de la chaussée) constitue une amélioration significative de celui-ci. Elle devrait, en améliorant l'immersion des
participants et en réduisant le mal du simulateur, contribuer à la validité des expérimentations qui seront menées par
la suite. Cette thématique s’inscrit pleinement dans le COP 2017-2021, à travers l’objectif 3. Une version améliorée du
simulateur vélo a par ailleurs été proposée dans le cadre des produits STTAR du COP 2017-2021 (produit STTAR
n°17).
Objectif A1 : Méthodes innovantes de recueil de données de mobilité
Des travaux en cours entre le Lepsis et le Livic portent sur la mise en œuvre de capteurs grand public (tels que des
smartphones) dans un but d'analyse de la mobilité. La comparaison des données recueillies par ces capteurs à celles
de capteurs de référence permettra de statuer sur la validité des données recueillies par les outils grand public (dans
un but d’analyse de la mobilité) et facilitera le développement des algorithmes de traitement spécifiques à ces outils.
Objectif A2 : Déterminants des comportements de mobilité
La restitution des irrégularités de la chaussée devrait, dans le prolongement de l'initiative ciblée Cycleval, apporter des
éléments de compréhension complémentaires sur les déterminants du choix de la modalité de déplacement. Les
imperfections de la chaussée, fortement ressenties à vélo, pourraient en effet se révéler être un frein à la pratique du
vélo. Il serait pertinent de chercher à évaluer le ressenti des vibrations par les cyclistes dans des conditions
contrôlées.
Valeur ajoutée de la demande (originalité de l’action, réponse à des attentes exprimées, potentiel nouvelles
connaissances, verrou scientifique, innovation, optimisation de moyens ou de ressources, ….) (A titre indicatif, ¼
page)
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 vibrations6. Nous pensons que ce rendu 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.
Les travaux envisagés permettront par ailleurs de constituer une base de données de signaux vibratoires à vélo et de
comparer les mesures obtenues par les instruments grand public à celles du vélo instrumenté, dans un but d’analyse
de la mobilité.
Ils permettront enfin d'apporter de nouvelles connaissances relatives aux mécanismes perceptifs et à l’inconfort
ressenti face aux irrégularités de la chaussée.
6
Thèse INSA-PSA (Amari, 2009) ; projet Shake mené en Suède (Ahlström et al., 2012) ; projet ANR Roadsense (2011-2013).
40
Annexe - Proposition d’initiative ciblée transmise à la DS
Description de la démarche et de la structuration de l’action (description des principales étapes de
construction et de réalisation des tâches, des différents sujets traités, …) (A titre indicatif, ½ page)
Nous proposons 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.
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
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
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
Résultats attendus : version améliorée du simulateur vélo
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)
Productions prévues (mettre en avant les productions majeures visées telles que structuration de recherche,
développement d’un projet scientifique, montage d’un réseau, lancement de thèses, ouvrages scientifiques, synthèse
et état de l’art, guides, matériels, logiciels, brevets, démonstrateurs, base de données, actes de colloques, etc.) Préciser l’échéance prévue (année)
- Base de données de signaux vibratoires
- Evaluation des dispositifs de mesure grand public (par comparaison au vélo instrumenté)
- Version améliorée du simulateur vélo, offrant une restitution des vibrations
- Seconde année : nouvelles connaissances relatives à l’apport des vibrations et à leur perception sur simulateur vélo
- Seconde année : nouvelles connaissances sur l’inconfort ressenti face aux irrégularités de la chaussée
41
Annexe - Proposition d’initiative ciblée transmise à la DS
Partenariats internes et externes
Partenariats internes
Nom- Prénom
Dpt/Labo
Estimation
Principale contribution
h/mois / an
Jean-Marie Prual
Pierre-Olivier
AME/EASE
3
Sio-Song Ieng
COSYS/LEPSIS
2
Stéphane Caro
COSYS/LEPSIS
3
AME/LPC
2
Vandanjon
Vélo instrumenté / campagnes d’essais
Alex Coiret
Nadine Chaurand
Capteurs grand public / traitement et modélisation
des données
Simulateur vélo / restitution des vibrations /
expérimentation : aspects perceptifs
Expérimentation sur l’inconfort ressenti face aux
irrégularités de la chaussée
Nous envisageons de faire appel, de manière ponctuelle, à l’expertise du laboratoire MAST/LAMES dans le domaine
de l’auscultation de la chassée.
Nous nous rapprocherons également de Francis Papon, référent sein de l’Ifsttar pour les questions qui touchent au
vélo.
Partenariats externes (à minima le nom de l’organisme et le sujet sur lequel il contribue)
Valorisations possibles
(Vis-à-vis des tutelles de l’Ifsttar, de collectivités, de partenaires institutionnels, académiques ou du monde
économique, auprès de la société civile ou du grand public)
Version améliorée du simulateur vélo, tel que proposé pour le COP 2017-2021 (produit STTAR n°17)
Productions scientifiques relatives aux travaux de la deuxième année
Axe 4: Evaluation (a priori) des aménagements cyclables. Possible montage d'un projet européen avec le
laboratoire EASE.
42
Annexe - Proposition d’initiative ciblée transmise à la DS
Illustration(s)
Légende de l’illustration : Vélo instrumenté
Crédits photos : © Laboratoire EASE, Ifsttar
Légende de l’illustration : Simulateur vélo de l'Ifsttar
Crédits photos : © Stéphane Caro, Ifsttar
43
Annexe - Proposition d’initiative ciblée transmise à la DS
Annexe financière
Une demande sera formulée auprès du pôle formation afin de bénéficier d’une journée de formation sur le
pilotage des vérins. Elle est estimée à environ 1000€.
Budget prévisionnel pluriannuel
Détailler par année et par poste de dépense.
Répartition par partenaire notamment pour les collaborations de recherche
Nature des dépenses
Année
n
Année
n+1
Commentaires
1000 €
500 €
A répartir en
fonction des
besoins
Missions :
- Déplacements Nantes – Marne (campagnes d’essais)
- Participation aux Journées Techniques Acoustique et Vibrations
(organisées par Ifsttar - Cerema) (en complément de la revue de
littérature)
Accéléromètres de référence pour vélo
instrumenté
+ maintenance vélo instrumenté
Finalisation implantation vérins sur simulateur
+ modifications simulateur suite à installation
vérins
+ maintenance simulateur
Capteurs grand public et implantation sur vélo
instrum.
+ vélo pour campagnes d’essais ultérieures
Expérimentation sur simulateur
Accéléromètres pour simulateur
Total
1000 €
EASE
1500 €
1000 €
LEPSIS
500 €
500 €
LEPSIS
1000 €
LPC
800 €
4800 €
3000 €
44
Annexe 2. COMPTE RENDU DE LA REUNION DE LANCEMENT
Initiative ciblée Vibrasimu – réunion de lancement
Cosys-Lepsis ; AME-Ease ; AME-LPC
Date : 14 Mars 2017
Ordre du jour : Lancement de l’initiative ciblée : travaux envisagés et planning
Personnes impliquées :
Stéphane Caro
Nadine Chaurand
Alex Coiret
Sio-Song Ieng
Jean-Marie Prual
Pierre-Olivier Vandanjon
COSYS / LEPSIS
AME / LPC (excusée)
AME / EASE
COSYS / LEPSIS
AME / EASE
AME / EASE
45
Annexe - Compte rendu de la réunion de lancement
Ce document reprend les éléments présentés en réunion. Il comporte également des éléments de réflexion
complémentaires. Il ne s’agit donc pas à proprement parler d’un compte-rendu.
1 Grandes lignes du projet
2 Objectifs et retombées possibles
Evaluation capteurs grand public implantés sur Smartphone
Création d’une base de données de vibrations sur ≠ sols
Apport de connaissances sur les vibrations et irrégularités de la chaussée à vélo
Caractériser les vibrations produites par différents types de revêtements
Amélioration du simulateur vélo
Apport de connaissances sur le ressenti des cyclistes face à des stimuli contrôlés
46
Annexe - Compte rendu de la réunion de lancement
3 Côté planning
Le planning proposé a été discuté en réunion et légèrement adapté. Il est présenté sur la figure ci-dessous.
4 Questions techniques
Différenciation avant /arrière ? Il était proposé de placer un accéléromètre à l’avant et un autre à l’arrière. Le
vélo instrumenté ayant une suspension avant, les vibrations risquent d’être amorties à l’avant. Proposition : les
deux mesures peuvent tout de même être riches d’enseignement. Il envisageable de fixer le capteur au plus
proche du moyeu de la roue.
Quel(s) type(s) de vélo ? Les vibrations (ou accélérations) transmises au cycliste peuvent dépendre du type de
vélo. C’est ce qui ressort du rapport de l’UCPRC (Buschect et al., 2017) où les accélérations enregistrées
diffèrent entre vélo de route, VTC et VTT. La présence de suspensions avant et/ou arrière peut également avoir
un impact fort. Le vélo instrumenté peut être équipé de pneus de différents types, permettant de varier les
conditions. Pour étendre à d’autres conditions, nous pourrions (1) valider le smartphone comme outil de
mesure et (2) faire des enregistrements avec smartphone sur différents types de vélo.
Fréquence d’acquisition des accéléromètres ? Il ressort des discussions que les besoins diffèrent en fonction
des objectifs. La caractérisation des vibrations produites par différents types de revêtements implique une
acquisition à haute fréquence (par exemple 10kHz) pour obtenir des informations sur les micro-textures. Cette
acquisition peut se faire sur une distance très courte. Au contraire, la compréhension (prédiction) du ressenti
des cyclistes peut se faire avec une fréquence d’acquisition plus basse mais sur une plus grande distance.
Les vérins qui seront implantés sur le simulateur vélo pourront produire des vibrations allant, au mieux, jusqu’à
10Hz. Ils seront plus adaptés pour reproduire les macro-textures et les évènements discrets (bouche d’égout,
47
Annexe - Compte rendu de la réunion de lancement
nid de poule…) qui ont également un impact sur le ressenti des cyclistes. Il sera donc pertinent de faire des
mesures sur route réelle présentant des défauts (par exemple grâce au smartphone).
Sous quelle forme créer la base de données ? Les données recueillies seront dans des fichiers texte. Nous
verrons ultérieurement, en fonction des nouveaux éléments, la façon de constituer une base de données.
Certaines données seront reportées dans le système d’information géographique QGIS afin de les mettre en
relation avec des données géo-localisées provenant d’autres sources.
Comment valider les mesures sur smartphone ? Il faut probablement commencer par préciser les usages
attendus de cet outil et rassembler des éléments de connaissance sur les capacités sensorielles des cyclistes (en
considérant que les données issues des smartphone sont utilisées pour étudier le comportement et le ressenti
des cyclistes).
Une option, évoquée en réunion, est de considérer l’accéléromètre de type MEMS présent sur le vélo
instrumenté comme équivalent à celui des smartphones et de valider ce capteur. Les smartphones seraient
validés par extension. Cette démarche présente des limites et peut être considérée comme une alternative en
cas de difficultés.
Utilité de modéliser le pneu et les suspensions de vélo ? Il pourrait être utile de s’appuyer sur une
modélisation de la chaîne de suspension d’un vélo pour (1) simuler les vibrations qui seraient mesurées sur
d’autres types de vélos ou face à d’autres types de chaussées et (2) estimer la texture à l’interface pneuchaussée à partir d’enregistrements faits sur la fourche du vélo. Un chercheur du Lepsis a déjà travaillé sur un
sujet similaire sur PL et 2RM. Nous pourrions nous rapprocher de lui pour savoir s’il souhaite être associé au
projet Vibrasimu, par exemple pour la seconde année.
5 Point sur les différents composants techniques
5.1 Le vélo instrumenté
Le vélo éléctrique (moteur roue avant) est en cours d’instrumentation. Une stagiaire de M2 (Université d’Evry) y
contribuera au cours du printemps. Il comporte entre autres, une centrale inertielle de type MEMS (3 accelero3 gyro), 1 GPS RTK, 1 anémomètre, un inclinomètre 2 axes, un altimètre, un capteur de puissance sur chaque
pédale, un capteur de cadence, un capteur de fréquence cardiaque, un wattmetre, un capteur de vitesse . Des
pneus de différents types peuvent être montés sur le vélo (type route, VTC, VTT).
La centrale d’acquisition est programmée via un Raspberry-pi sous Linux. L’acquisition est programmée en
Python. Certains capteurs (pédales powertap, frequence cardiaque, cadence, vitesse) utilisent le protocole
ANT+, d'autres le protocole I2C (altimètre), d'autres via l'usb ou port série (centrale inertielle, GPS RTK,
wattmetre) et encore d'autres par un module d'acquisition analogique ME-redlab-1208LS (acquisition des
capteurs inclinomètre et anémomètre à 1,2kS/s max) . Les données sont enregistrées sur carte mémoire.
5.2 Les pistes de Nantes
Les pistes ont été « mesurées » par différents équipements et sont donc bien caractérisées. Elles comportent
plusieurs planches de 250 m et d’autres plus courtes (50 a 125m). Il y a également des plaques d’imitation de
pavés en résine collées sur l'enrobé.
Des évaluations subjectives ont déjà été menées sur ces pistes dans le cadre du projet Novabuild. Les
questionnaires peuvent être réutilisés.
Une expérimentation sera menée pour Cycleval sur les pistes ainsi que sur un parcours connu dans la ville de
Nantes.
48
Annexe - Compte rendu de la réunion de lancement
5.3 La mesure sur smartphone
Des développements ont déjà été réalisés sur smartphone : programmation en Java sur Android. Il est donc
possible de repartir de ces développements.
5.4 Le simulateur vélo
Les vérins sont déjà achetés ainsi que les composants de l’armoire électrique associée. Il faudra donc monter
les vérins sur le simulateur, monter l’armoire électrique, adapter les autres éléments tels que le plancher et le
ventilateur. Il faudra ensuite travailler sur le pilotage des vérins. La simulation se fait sous Simulink-Real-Time
(toolbox temps réel de Matlab-Simulink) avec un pas de calcul de 1ms. Les vérins sont actionnés par moteur
brushless et leur pilotage se fait par bus CAN avec le protocole CAN-Open, à une fréquence de l’ordre de 50 à
100Hz.
Les tests sur table mettent en évidence la difficulté de mise en œuvre du protocole CAN-Open. Par ailleurs, la
mécanique du vérin peut produire des vibrations allant jusqu’à 7 à 10Hz à vide. Les paramètres de
l’asservissement doivent être affinés pour optimiser la réponse mécanique.
6 Difficultés à prévoir
Sur vélo instrumenté :
- Disponibilité des agents impliqués / délai de mise en œuvre.
Sur smartphone :
- Horodatage / synchronisation des capteurs.
Sur simu vélo :
- Adaptation des autres éléments de la plateforme
- Pilotage des vérins Possibilité de formation chez le fournisseur
7 Réunions et outils de suivi de projet
Proposition de s’orienter vers une réunion de suivi de projet tous les 3-4 mois : prochaine réunion vers le mois
de Juin. Cette réunion sera l’occasion de faire un point sur la bibliographie, à condition d’avancer la lecture
d’ici-là. L’avancement technique pourra faire l’objet d’un suivi informel aussi souvent que nécessaire.
Le code d’activité pour l’initiative ciblée Vibrasimu est RP1-S17001. Vous pouvez pointer sur cette activité dans
TP2.
Le projet sera suivi sur le « SI recherche ». Les informations et documents relatifs à la vie du projet seront
déposés sur ce système d’information.
49
Annexe - Compte rendu de la réunion de lancement
8 Eléments de sortie
Pour valider les smartphones comme outils de mesure, il faudrait préciser les usages attendus et
rassembler des éléments de connaissance sur les capacités sensorielles des cyclistes (en considérant
que les données issues des smartphone sont utilisées pour étudier le comportement et le ressenti
des cyclistes).
Se rapprocher du chercheur du Lepsis ayant travaillé sur la modélisation de la chaîne de suspension
pour savoir si le projet Vibrasimu l’intéresse.
Mener un travail de bibliographie pour préparer la prochaine réunion.
Dépenses : envoyer les devis au Lepsis pour passer les commandes.
9 Question post-réunion
J'ai compris qu'on pourrait s'orienter vers une seule campagne de mesure au cours de laquelle les smartphones
pourraient être embarqués sur le vélo instrumenté. Des évaluations subjectives seront également recueillies.
Cette campagne pourra peut-être être commune avec Cycleval.
Il me semble finalement que c'est ce qu'on avait évoqué lors du montage du projet. Du coup, faut-il retirer la
bulle "mesure sur piste et parcours urbain" ?
50
Annexe 3. BILAN 2017 SUR LE SI-RECHERCHE
Titre
VibraSimu : Mesure et restitution de vibrations sur simulateur de déplacement
Description courte (270 caractères – espaces compris)
VibraSimu vise à mesurer les vibrations d'un vélo sur piste et route réelle, à les modéliser et les reproduire sur
simulateur de déplacement et enfin, à en évaluer l’impact sur le ressenti des participants. Des retombées sont
attendues à différente niveaux.
Résumé (1500 caractères – espaces compris)
L’initiative ciblée VibraSimu, créée en 2017, a vu le versant technique de ses travaux commencer sur plusieurs
fronts. Le vélo instrumenté du laboratoire EASE est en cours de finalisation. Sa centrale d’acquisition a
notamment fait l’objet d’un stage pour sa programmation en Python. Par ailleurs, des accéléromètres grand
public – sur smartphone – ont été acquis et implantés sur un vélo dédié. Les développements logiciels sont en
cours et les premiers tests techniques ont été menés sur le site de Marne-la-Vallée. Enfin, les développements
permettant de restituer des vibrations sur simulateur vélo sont en cours. Les vérins devraient être implantés
prochainement. Le versant scientifique sera mené par la suite avec une composante « science dure » ainsi
qu’une composante « facteurs humains » qui clora le projet. Un volet non prévu initialement est ajouté au
projet, consistant à déterminer la fonction de transfert pour différents types de vélo à partir d'une modélisation
dynamique de la chaîne de suspension.
Mots clés
Vélo, vibrations, simulateur, instrumentation, uni de la chaussée
Onglet suivi – Observations sur l’étape 3
Compte tenu des travaux envisagés dans le cadre de l’initiative ciblée, nos besoins pour 2018 s’élèvent à 4000€.
Ils se répartissent de la façon suivante :
1000€ de missions pour les déplacements Nantes-MlV, notamment pour une campagne d’essais sur les
pistes de Nantes
500€ pour la participation aux Journées Techniques Acoustique et Vibrations organisées par l’Ifsttar et le
Cerema, permettant de se rapprocher des collègues travaillant dans ce domaine
1000€ pour la finalisation de l’implantation des vérins sur simulateur vélo, pour les modifications du
simulateur consécutives à cette installation et pour la maintenance du simulateur
500€ pour la finalisation de l’implantation des capteurs grand public sur le vélo dédié et pour la
maintenance de l’ensemble
1000€ pour l’expérimentation sur simulateur prévue en dernière étape de l’initiative ciblée
51
Annexe 4. BILAN 2018 SUR LE SI-RECHERCHE
Onglet contrat
Ajouter avenant : demande de prolongation jusqu’au 31/12/2019.
Travail réalisé
Les travaux techniques se sont poursuivis au cours de l’année 2018 et les campagnes de mesure sont en cours :
Des supports de smartphones ont été conçus et réalisés spécifiquement pour les besoins de VibraSimu.
Les accéléromètres de précision acquis l’année précédente ont été implantés sur le vélo instrumenté du
laboratoire EASE. Cette implantation a nécessité l’achat et l’installation d’équipements supplémentaires : des
conditionneurs pour la mise en forme des signaux et une centrale pour l’acquisition des signaux à fréquence
élevée (10kHz).
L’armoire électrique de contrôle des vérins a été finalisée ainsi que le paramétrage des contrôleurs. Une étape
intermédiaire a été ajoutée afin de fiabiliser l’opération : la création d’un démonstrateur. Cette étape est en
cours de réalisation.
Les premières acquisitions ont été faites avec les capteurs grand public (smartphones) sur plusieurs types de
vélo et les premiers traitements sont en cours : reconstitution des données.
Les mesures croisées entre accéléromètres de précision et capteurs grand public sont programmées dans les
prochaines semaines.
L’avancement des travaux se fait selon l’enchainement prévu initialement. Cependant, le planning de réalisation
n’a pu être suivi et plusieurs étapes du travail restent à réaliser.
Les travaux restant à mener sont les suivants
Terminer les campagnes de mesures et traiter les données acquises (selon plusieurs objectifs)
Finaliser l’implantation des vérins sur le simulateur vélo et reproduire des vibrations représentatives de celles
mesurées en situation réelle
Evaluer la qualité du rendu par une petite expérimentation
Les personnes impliquées dans ce projet souhaitent poursuivre le travail engagé et aimeraient pour cela que le
projet ait une existence officielle. Nous souhaiterions donc que l’initiative ciblée VibraSimu soit prolongée d’une
année, jusqu’à fin 2019.
53
Bilan 2018 sur le SI-recherche
54
Bilan 2018 sur le SI-recherche
55
Annexe 5. MESURES SUR LA PISTE DE NANTES
Zone de mesure incluant marqueurs de début et de fin
Les zones de mesure ont été délimitées par le passage sur une planche en début et en fin de section. Les figures
ci-dessous montrent la zone complète, incluant le passage sur les planches.
57
Annexe – Mesures sur la piste : signaux temporels
58
Annexe – Mesures sur la piste : signaux temporels
Zone de mesure utile stricte
Les figures ci-dessous montrent la zone de mesure en excluant le passage sur les planches. Elles correspondent
à la zone utile pour une analyse spectrale.
59
Annexe – Mesures sur la piste : signaux temporels
60
Annexe 6. FONCTION DE REPARTITION DES SIGNAUX
61
Annexe – Mesures sur la piste : fonction de répartition
62
Annexe 7. PERCENTILES DE L’ACCELERATION POUR LES
DIFFERENTES CONDITIONS EXPERIMENTALES
Les deux tableaux ci-dessous renseignent sur les extrema d’accélération et sur différents percentiles ainsi que
sur l’écart-type de l’accélération. Le premier tableau donne ces valeurs pour chaque essai en agrégeant les
données des différents passages. Le second tableau donne les valeurs correspondant à chacun des passages.
n°
essai
valeur
n° passage Capteur min
5ème
15ème
85ème
95ème
Ecartpercentile percentile percentile percentile valeur max type
2
tous
Avant
-31,00
-14,09
-8,29
7,14
17,01
32,96
8,88
2
tous
Arrière
-21,24
-11,33
-6,91
5,88
12,69
41,40
7,23
3
tous
Avant
-29,64
-14,58
-9,31
6,72
17,11
35,72
9,22
3
tous
Arrière
-22,62
-11,56
-6,84
5,31
11,45
38,52
7,28
4
tous
Avant
-45,33
-25,40
-15,19
15,48
27,65
45,95
15,41
4
tous
Arrière
-80,26
-19,58
-11,38
10,10
19,31
83,39
12,20
5
tous
Avant
-52,49
-27,17
-14,97
16,99
29,13
92,68
16,28
5
tous
Arrière
-103,87
-31,33
-16,13
16,87
34,48
99,17
20,86
6
tous
Avant
-12,31
-5,52
-3,26
3,15
5,65
13,01
3,32
6
tous
Arrière
-8,61
-4,41
-2,72
2,27
3,88
9,56
2,50
8
tous
Avant
-83,77
-9,97
-6,06
5,95
9,83
29,99
6,17
8
tous
Arrière
-16,97
-7,29
-4,70
3,98
6,70
21,09
4,32
9
tous
Avant
-15,88
-7,47
-4,61
4,87
7,73
18,19
4,64
9
tous
Arrière
-14,26
-7,27
-4,82
4,67
7,92
20,83
4,63
10
tous
Avant
-73,94
-8,72
-5,26
5,70
8,81
19,74
5,49
10
tous
Arrière
-20,58
-10,10
-6,59
6,46
10,79
24,52
6,32
11
tous
Avant
-12,58
-1,33
-0,86
0,91
1,48
9,19
0,88
11
tous
Arrière
-4,87
-2,03
-1,31
1,14
1,92
4,79
1,20
12
tous
Avant
-5,61
-2,54
-1,61
1,44
2,37
11,64
1,50
12
tous
Arrière
-7,02
-3,18
-2,09
1,78
3,06
7,10
1,90
13
tous
Avant
-36,75
-13,55
-5,40
5,09
12,12
37,85
8,17
13
tous
Arrière
-36,79
-12,17
-5,63
4,81
12,20
51,21
7,59
Tableau 4 : Extrema, percentiles et écart-type de l’accélération pour chaque essai (les données des différents
passages sont agrégées par assai).
63
Annexe – Mesures sur la piste : percentiles de l’accélération
n°
essai
valeur
n° passage Capteur min
5ème
15ème
85ème
95ème
Ecartpercentile percentile percentile percentile valeur max type
2
1
Avant
-31,00
-14,09
-8,29
7,14
17,01
32,96
8,88
2
1
Arrière
-21,24
-11,33
-6,91
5,88
12,69
41,40
7,23
3
1
Avant
-29,64
-14,58
-9,31
6,72
17,11
35,72
9,22
3
1
Arrière
-22,62
-11,56
-6,84
5,31
11,45
38,52
7,28
4
1
Avant
-45,33
-25,40
-15,19
15,48
27,65
45,95
15,41
4
1
Arrière
-80,26
-19,58
-11,38
10,10
19,31
83,39
12,20
5
1
Avant
-52,49
-27,17
-14,97
16,99
29,13
92,68
16,28
5
1
Arrière
-103,87
-31,33
-16,13
16,87
34,48
99,17
20,86
6
1
Avant
-12,31
-5,52
-3,26
3,15
5,65
13,01
3,32
6
1
Arrière
-8,61
-4,41
-2,72
2,27
3,88
9,56
2,50
8
1
Avant
-14,60
-8,00
-5,22
5,02
8,06
20,75
4,87
8
1
Arrière
-13,37
-7,16
-4,85
3,70
5,98
12,48
4,01
8
2
Avant
-83,77
-11,46
-7,02
6,91
10,98
29,99
7,10
8
2
Arrière
-16,97
-7,44
-4,58
4,23
7,40
21,09
4,55
9
1
Avant
-14,01
-7,31
-4,49
4,68
7,62
18,19
4,57
9
1
Arrière
-14,26
-7,14
-4,80
4,65
7,92
20,83
4,61
9
2
Avant
-15,88
-7,64
-4,71
5,07
7,86
15,99
4,72
9
2
Arrière
-13,94
-7,40
-4,85
4,68
7,91
17,01
4,66
10
1
Avant
-18,23
-8,85
-5,29
5,63
8,80
19,26
5,41
10
1
Arrière
-20,54
-10,49
-6,95
6,56
10,88
24,52
6,50
10
2
Avant
-73,94
-8,62
-5,25
5,77
8,87
19,74
5,56
10
2
Arrière
-20,58
-9,80
-6,31
6,36
10,68
23,55
6,14
11
1
Avant
-2,95
-1,22
-0,76
0,95
1,51
4,08
0,84
11
1
Arrière
-4,87
-2,11
-1,36
1,16
1,94
4,79
1,23
11
2
Avant
-12,58
-1,43
-0,93
0,87
1,44
9,19
0,91
11
2
Arrière
-3,83
-1,99
-1,26
1,13
1,89
4,35
1,17
12
1
Avant
-5,61
-2,70
-1,77
1,37
2,33
11,64
1,56
12
1
Arrière
-6,54
-3,16
-2,15
1,77
3,09
6,66
1,92
12
2
Avant
-4,80
-2,39
-1,47
1,49
2,39
4,93
1,44
12
2
Arrière
-7,02
-3,23
-2,00
1,79
3,02
7,10
1,89
64
Annexe – Mesures sur la piste : percentiles de l’accélération
13
1
Avant
-28,56
-10,38
-3,80
3,88
8,74
32,17
6,54
13
1
Arrière
-18,22
-10,09
-4,33
3,55
8,75
35,87
5,96
13
2
Avant
-28,29
-13,00
-5,40
4,77
11,24
34,13
7,71
13
2
Arrière
-20,44
-11,32
-5,24
4,57
9,31
37,43
6,79
13
3
Avant
-36,75
-16,13
-9,61
7,43
20,10
37,85
10,79
13
3
Arrière
-36,79
-16,01
-9,24
8,12
18,46
51,21
10,50
Tableau 5 : Extrema, percentiles et écart-type de l’accélération pour chaque passage (chaque essai comportait
plusieurs passages).
65
Annexe 8. TRANSFORMEE DE FOURRIER DES SIGNAUX
67
Annexe – Mesures sur la piste : transformée de Fourrier
68
Annexe – Mesures sur la piste : transformée de Fourrier
69
Annexe 9. BUTEES LOGICIELLES ET PARAMETRES ENREGISTRES
Tel qu’indiqué en section 1.9.3 (page 26), le débattement vertical à été limité à +/-5 mm pour préserver le
plancher qui limité le débattement effectif. 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 vérins sont paramétrés pour que la partie horizontale de l’équerre sur laquelle ils sont fixés (Figure 26) soit
à 15 cm du sol (14.6 cm pour le vérin 3). Cette position de référence est atteinte en plaçant respectivement les
vérins 1, 2 et 3 aux indices de position 609, 476 et 65. Ces indices de position correspondent à un nombre de
pas (1/360 cm).
15 cm
Figure 26 : Position de référence par rapport au sol : 15 cm (14.6 cm pour le vérin 3)
La marge prise en compte dans le modèle Simulink est de +/- 5 mm (soit +/-180 pas) et les butées logicielles
programmées dans les contrôleurs sont un peu plus éloignées : +/- 1 cm (soit +/-360 pas). Le tableau ci-dessous
reporte les valeurs programmées dans le modèles et dans les contrôleurs.
Position de référence (indice Limites programmées dans Limites programmées dans les
de position)
le modèle Simulink
contrôleurs (butées logicielles)
Vérin 1
609 pas
429 à 789 pas
249 à 969 pas
Vérin 2
476 pas
296 à 656 pas
116 à 836 pas
Vérin 3
65 pas
-115 à 245 pas
-295 à 425 pas
Tableau 6 : Limites logicielles programmées dans le modèle Simulink et dans les contrôleurs
71
Annexe 10.
PARAMETRES DES CONTROLEURS
Tel qu’indiqué en section 1.11.1 (page 30), des tests itératifs ont été menés pour identifier le rôle des différents
paramètres des contrôleurs 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. Les paramètres manipulés sont listés ci-dessous :
- Basic settings / limites d’accélération :
o
100 000°/s2 par défaut, correspondant à un peu moins de 3 m/s2.
o
200 000°/s2 améliore la poursuite (6 m/s2) mais provoque des vibrations liées au contrôle.
o
Des vibrations apparaissent pour les valeurs plus grandes que 200 000.
o
Note : 1 m/s2 correspond à 36000°/s2 (100x360).
- Basic settings / profil linéaire : ok.
o
Jerk limited ≤ 10 ms : réduit le bruit de contrôle
o
Jerk limited > 10-20 ms : dégrade la poursuite
- Loop control / speed controler gain (SCG) :
o
0.02 par défaut
o
Réduire la valeur pour éviter les vibrations liées au contrôle de vitesse
- Loop control / speed controler lag time (SCTLG) : 5 à 50 ms. Impacte légèrement la réponse.
o
Une valeur plus faible réduit le dépassement mais une valeur trop petite pose des problèmes.
- Loop control / position controler gain (PCG) :
o
1000 à 3000
o
Une valeur plus petite réduit le dépassement mais ralentir la réponse
- Reference speed filter (SCTF) :
o
1 ms par défaut
o
Une valeur plus élevée (10 ms) réduit les vibrations de contrôle mais augmente légèrement le
dépassement.
Après avoir comparé plusieurs jeux de paramètres et convergé progressivement, les valeurs finalement
retenues sont les suivantes :
- Basic settings / limites d’accélération : 700 000°/s2 (cette valeur a finalement été réduite à 350 000°/s2
pour ne pas dépasser 1g)
- Basic settings / Jerk limited ramp avec 10 ms
- Loop control / speed controler gain (SCG) : 0.002 Nm.min
- Loop control / speed controler lagtime (SCTLG) : 2000 ms
- Loop control / position controler gain (PCG) : 1000 min-1
- Reference speed filter (SCTF) : 1 ms
73
Annexe 11.
TESTS DE POURSUITE DU DEMONSTRATEUR
La section 1.11.2 (page 30) décrit les tests de poursuite réalisés sur le démonstrateur. Nous détaillons ici le
calcul de l’amplitude maximale pour ne pas dépasser g et les résultats des tests de poursuite.
Calcul de l’amplitude maximale
Position :
d = A.sin(ω.t)
= A.sin(2.π.f.t)
Vitesse :
v = A.ω.cos(ω.t)
= A.2.π.f.cos(2.π.f.t)
Accélération :
γ = -A.ω2.sin(ω.t) = -A.( 2.π.f)2.sin(2.π.f.t)
Ainsi, le module de l’accélération : ||γ|| = A.ω2
Pour que l’accélération reste inférieure à g, il faut : A ≤ g/ω2 soit A ≤ g/(2.π.f)2
Le tableau ci-dessous indique l’amplitude maximale pour ne pas dépasser g, pour cinq valeurs de fréquence :
Fréquence
1.25 Hz
2.5 Hz
5 Hz
10 Hz
20 Hz
Amplitude
maximale
159 mm
39.8 mm
9.94 mm
2.48 mm
0.62 mm
Résultats des tests de poursuite
Signal de consigne
Amplitude constatée
gain
Retard constaté
Déphasage
1.25 Hz/ 8 mm
7.72 mm
0.97
41 ms
19°
1.25 Hz/ 32 mm
33 mm
1.03
37 ms
17°
2.5 Hz/ 2 mm
1.32 mm
0.66
46 ms
41°
2.5 Hz/ 8 mm
8.36 mm
1.04
41 ms
37°
2.5 Hz/ 32 mm
36 mm
1.13
45 ms
40°
5 Hz/ 0.5 mm
0.15 mm
0.30
29 ms
52°
5 Hz/ 2 mm
1.62 mm
0.81
39 ms
70°
5 Hz/ 8 mm
8.2 mm
1.03
46 ms
83°
10 Hz/ 0.5 mm
0.29 mm
0.58
32 ms
115°
10 Hz/ 2 mm
1.47 mm
0.74
40 ms
144°
20 Hz/ 0.5 mm
0.18 mm
0.36
34 ms
245°
Ces valeurs sont reportées dans la Figure 22 (page 31).
74
Annexe 12.
PRISE EN MAIN DES VERINS (PAR RANDY BOMOLO)
Câblage du système
P… : prise électrique
X… : bornier variateur
Q1 : interrupteur différentiel
Q2 : disjoncteur magnétothermique
K… : interrupteur
D1 : diode (protection pour l’alimentation externe contre les retours de courant)
Rf : résistance de freinage 260Ω
Le module CAN interne du CDE doit être alimenté par l’alimentation externe et il possède une
résistance de 120 Ω pour la terminaison du bus. Pour éviter de rajouter une résistance on peut
directement utiliser celle du variateur en faisant un pont entre la broche 1 et la broche 2 du port X5. La
résistance de freinage possède un interrupteur bimétallique qui s’ouvre quand elle chauffe trop (fils
bleus) on peut penser à connecter cet interrupteur entre l’entrée ISDSH et +24V pour plus de sécurité en
cas de surchauffe.
cf. CDE3000_FR.pdf
75
Annexe – Prise en main des vérins
Mise en mouvement du vérin par le biais du port série (Application)
Pour voir si le câblage est bon on passe en mode manuel et on fait bouger le vérin à
boutons « Jog +/- ».
cf. Test vérin.docx
l’aide des
Mise en place du bus CAN
Le baud rate est fixé à 500kBaud mais on peut aller jusqu’à 1MBaud
L’adresse du variateur est 1 mais elle peut varier entre 1 et 127. Il est possible de la
modifier
à l’aide de la roue codeuse vers le bas de l’appareil. Ainsi, l’adresse vaut la
somme de l’adresse
fixée sur l’application et celle fixée sur la roue. Par exemple si sur la roue codeuse on met 3 et dans
l’application on choisit 6 alors la véritable adresse
sera 9.
cf. Protocole CANopen mode DSP402 du variateur CDE(complet).docx
cf. Test vérin.docx
cf. CDE - DSP402 (Mise en service).pdf
Contrôle en position via le bus CAN depuis l’ordinateur avec l’application PcanView(USBCAN)
Phase
d’initialisation
cf. Test vérin.docx
cf. Protocole CANopen mode DSP402 du variateur CDE(complet).docx
cf. CDE - DSP402 (Mise en service).pdf
76
Annexe – Prise en main des vérins
Calcul du rapport de transmission moteur – piston
En prenant comme origine le début de la course du piston on a relevé la position de
ce dernier en
fonction de la position de l’axe moteur. Ensuite, on a calculé le rapport
entre la position du moteur
et celle du piston (360 grad/cm)
position moteur
position piston
rapport
(grad)
(mm)
(grad/mm)
rapport moyen
(grad/mm)
-1000
29
-34,48
-2000
57
-35,09
-35,57
-3000
84
-35,71
-4000
113
-35,40
rapport moyen (grad/cm)
-5000
139
-35,97
-355,72
-6000
167
-35,93
-7000
195
-35,90
rapport moyen (grad/m)
-8000
225
-35,56
-35572
-9000
252
-35,71
-10000
278
-35,97
Changement de l’unité
L’unité par défaut de l’application est le grad (surement pour graduation) le constructeur du vérin
nous a fourni le rapport de transmission (que l’on a aussi calculé plus haut) qui est de 360°/cm.
Ainsi, on a pu confirmer que 1 grad vaut 1°. Pour plus de clarté on peut directement choisir le degré
comme unité.
On clique sur « Basic settings » et après sur « Units and standardisation ».
77
Annexe – Prise en main des vérins
Dans la fenêtre ci-dessous on peut choisir l’unité de base (mètre, degrés…) qu’on veut
exposant (kilo, milli, micro…). Une fois que l’unité est choisie on clique sur « Continue ».
et
son
On passe ensuite à la fenêtre ci-dessous. Dans les 2 premières cases on donne le rapport entre le
nombre de révolutions de l’axe moteur et la position en degrés (si c’est l’unité choisie). Dans les 2
dernières cases on donne le rapport de réduction si on en a (ce n’est pas le cas dans notre vérin donc
on met «1» partout). Enfin on clique sur « Ready » pour valider.
78
Annexe – Prise en main des vérins
Changement du signe de la position
Pour travailler uniquement avec des valeurs positives on a changé le signe de la position dans
l’application. De cette manière on gagne du temps de traitement car on n’a plus besoin d’appliquer le
complément à 2.
Pour cela on clique sur « Basic settings » et dans l’onglet « Driving profile » on choisit l’option 1
pour « Rotating direction » (« Count direction reverse »).
79
Annexe – Prise en main des vérins
Prise d’origine
La position 0° du codeur absolu correspond au début de la course du piston par défaut. Comme
la position d’origine par défaut convient à notre application, on décide de la garder en effectuant
une prise d’origine automatique qui va assimiler la position courante à la position de référence à
chaque démarrage de la régulation.
Comme précédemment on clique sur « Basic settings » mais cette fois on va dans l’onglet
« Homing mode », on choisit la prise d’origine de type 35 et on choisit « AUTO(1) » pour la « Start
condition ».
Position des capteurs de fin de courses et limites logicielles
Les capteurs de fin de course sont positionnés à +10560° et -194°. Les limites logicielles
fixées à +10500° (+29,17cm) et -100° (-0,28cm).
Comme précédemment on clique sur « Basic settings » mais cette fois on va dans l’onglet
« Limit switch » et on tape directement les limites souhaitées.
80
Annexe – Prise en main des vérins
Automatisation de l’envoi des PDO voulus
On souhaite recevoir certaines informations toutes les millisecondes comme la position ou l’état
de fonctionnement du variateur voilà comment s’y prendre. Dans le menu « Extras » on clique sur
« Parameter editor ».
La fenêtre ci-dessous va apparaitre. Dans la partie gauche on clique sur « (CAN_) CANopen
communication » pour se placer dans le bon jeu de paramètres et dans la fenêtre de droite on doubleclique sur « T1SEL Mapping selection for TxPdo1 ».
Une autre fenêtre s’ouvre dans laquelle on va choisir la valeur du Mapping souhaité pour le TxPDO1.
Le mapping qui parait le plus pertinent est le n°26 il contient les octets de statut du variateur, les
octets du mode opératoire et les octets donnant la position actuelle du vérin.
81
Annexe – Prise en main des vérins
Pour que le variateur transmette le PDO automatiquement il faut d’abord configurer le mode de
transmission (Asynchronous device specific) et la période de transmission (1ms) par le biais du
bus CAN. Une fois la configuration effectuée, il faut passer par le NMT pour que le variateur
passe à l’état « operational » en envoyant la trame 00h 01 01.
Dans le rectangle rouge on a bien le TxPDO1 (181h) qui est transmis toute les millisecondes
(Period=1). Il faut aussi penser à sauvegarder les changements en envoyant la bonne trame pour les
conserver même hors tension.
cf. Protocole CANopen mode DSP402 du variateur CDE(complet).docx
cf. CANopen_datatransferprotocol_061999_EN.pdf
cf. CDE - DSP402 (Mise en service).pdf
Ajout du PC temps réel et du PC matlab sur le bus CAN
Initialisation du variateur depuis Simulink Real Time avec l’activation de l’envoi automatique des TxPDO
On a reproduit les trames d’initialisation sur Simulink afin de ne plus avoir besoin d’utiliser un
programme à part comme « TestCAN5 » pour initialiser les variateurs. C’est la dernière trame de la
structure « init » qui représente le NMT.
cf. Protocole CANopen mode DSP402 du variateur CDE(complet).docx
Mise en mouvement depuis Simulink Real Time
Lorsqu’on envoie plusieurs consignes de position à la suite le vérin arrive à se positionner comme
il faut mais au bout d’une certaine durée variable pouvant aller de 10 à 800 secondes il s’arrête
82
Annexe – Prise en main des vérins
instantanément (retour à l’état « Switch on disabled ») sans provoquer de défaut. Au-delà de 800
secondes de simulation le risque que le vérin s’arrête seul devient quasiment nul. Ainsi le vérin peut
effectuer des mouvements durant plus de 6000 secondes si on ne l’arrête pas.
L’enchainement des trames à envoyer est réalisé à l’aide d’un « multiport switch » qui est
cadencé par un compteur ayant un temps d’échantillonnage de 1ms, allant de 0 à 2 et qui se remet à
0 quand il est à 2. De cette manière, on envoie des trames toutes les millisecondes.
Mise en place de la partie lecture et enregistrement des données
Il est maintenant possible de tracer l’évolution de la position du vérin dans le temps afin de voir si
la consigne est respectée. On peut aussi voir les bits du « status word » en fonction du temps qui nous
disent dans quel état se trouve le variateur.
Ajout d’une fonction logique
Cette fonction permet de savoir si le vérin est initialisé ou pas, pour éviter de lancer
l’initialisation à chaque fois qu’on relance le programme. Effectivement, l’état du variateur est
représenté par 6 bits du « status word » de là on peut établir une équation logique. A la page 10 du
document « CDE-DSP402 (mise en service).pdf » on a la correspondance entre le « status word » et
l’état du variateur. Le variateur est initialisé quand il est dans l’état « Operation Enabled » ce qui
correspond à cette chaine de bits :
b6
b5
b3
b2
b1
b0
0
1
0
1
1
1
̅̅̅. 𝑏2. 𝑏1. 𝑏0
On obtient alors l’équation booléenne suivante : 𝑆 = ̅̅̅
𝑏6. 𝑏5. 𝑏3
De cette façon S vaut 1 seulement si le variateur est dans l’état « Operation Enabled » et 0 sinon.
83
Annexe - Protocole CANopen pour DSP402
Annexe 13.
PROTOCOLE CANOPEN POUR LE MODE DSP402
DU VARIATEUR CDE (PAR RANDY BOMOLO)
SDO (Service Data Object)
Le protocole CANopen comporte différents types de messages comme les PDO (Process Data
Object) et les SDO. Les messages PDO sont utilisés pour manipuler des objets de l’Object Dictionnary
sans se référencer explicitement à leurs identifiants, les types des données et la liste des objets à
transmettre étant définis dans une structure appelée PDO mapping. Le système de message SDO suit
l’architecture Client-Serveur. Cependant notre système fonctionne actuellement sur le principe de
maître-esclave comme le client est toujours le même.
Les SDO permettent d’avoir accès aux entrées de l’Object Dictionnary. Et comme ces entrées
peuvent être de grande taille les SDO sont amenés à transférer plusieurs données appelées data sets,
elles-mêmes contenant de nombreux blocs de données ; le Client contrôle quelle donnée doit être
transmise via un multiplexeur (index et sub-index de l’Object Dictionnary). Nous nous intéresserons
seulement aux trames SDO car ce sont elles qui permettent de lire et d’écrire les paramètres du
variateur.
Format des trames SDO
ID
Identifiant
B0
Commande
B1
B2
Index
B3
Subindex
B4
B5
B6
Données
B7
L’identifiant permet de caractériser le message soit c’est une transmission, soit une réception.
Dans le cas d’une transmission l’identifiant sera 600+NodeID en hexadécimale. Dans le cas d’une
réception alors l’identifiant sera 580+Node ID toujours en hexadécimale. Le NodeID est l’adresse du
variateur concerné par la trame en hexadécimale. Par exemple, si l’adresse du variateur concerné est 12
l’identifiant du message transmis par le maître (le Client) sera 60Ch et celui des messages reçus sera
58Ch.
La commande qui est l’octet B0 permet de choisir l’action à effectuer qui peut être de lire ou
d’écrire un paramètre du variateur. Pour lire il faut entrer la valeur 40h et pour écrire il faut entrer 22h.
Si l’action s’est bien déroulée le maître recevra une trame venant du variateur concerné et le B0 de cette
trame vaudra soit 60h si l’écriture s’est bien passée soit 42h si la lecture s’est bien passée soit 80h en
cas d’erreur.
L’index est codé sur deux octets il permet de donner l’emplacement du paramètre sur lequel on
veut effectuer la commande. La liste des paramètres accessibles et utiles est disponible dans le mapping
des PDO (cf. CDE - DSP402 (Mise en service) partie 1.5.2, partie 2.6.2 et
OperationManualCANopenCommunication_012005_EN). Pour choisir l’index il faut l’écrire en
orientation « Little endian » c’est-à-dire en mettant l’octet de poids faible en premier (B1).
Le Sub-index représente une partition de l’ensemble des paramètres.
Enfin nous avons les données qui sont codées sur quatre octets. Elles représentent ce que nous
souhaitons lire ou écrire dans un paramètre et tout comme l’index elles sont à lire ou écrire en
orientation « Little endian » et en complément à 2 (gestion des valeurs négatives comme la position).
85
Annexe - Protocole CANopen pour DSP402
PDO (cf. CDE - DSP402 (Mise en service) partie 1.5 et
CANopen_datatransferprotocol)
Comme dit précédemment, les messages PDO (Process Data Object) pouvant aller de 1 à 8
octets sont utilisés pour manipuler des objets de l’Object Dictionnary sans se référencer explicitement à
leurs identifiants, les types des données et la liste des objets à transmettre étant définis dans une
structure appelée PDO mapping. Ce mapping peut être personnalisé si le mapping prédéfini ne convient
pas. Il est aussi possible de changer les paramètres de communication d’un PDO.
1. Sélection du mapping d’un PDO
Ensuite, on double-clique sur RXSEL pour la sélection du mapping RxPDOX ou sur TXSEL pour la
sélection du mapping TxPDOX (avec X le numéro du PDO voulu). Enfin on entre la valeur du mapping
voulu (ce que le PDO doit transporter comme données). Par exemple, si on veut que le variateur
transmette par le biais du PDO1 que le « status word » alors on va choisir la valeur 1 dans T1SEL.
2. Configuration des paramètres de communication d’un PDO
Cette configuration s’effectue dans des emplacements réservés à cet effet dans l’object dictionnary.
1400H
Paramètres
RxPDO1
1401H
Paramètres
RxPDO2
:
1800H Paramètres TxPDO1
1801H Paramètres TxPDO2
Les données accessibles par le biais des SDO sont :
Subindex
0
1
2
3
4
5
Données
Type
de
données
Nombre d’entrée
Unsigned 8
COB-ID
Unsigned 32
Mode
de Unsigned 8
transmission
Temps d’inhibition
Unsigned 16
Priorité CMS
Unsigned 8
Event timer
Unsigned 16
86
Annexe - Protocole CANopen pour DSP402
Le nombre d’entrée représente le nombre de données dans l’index et il vaut toujours 5 (du COB-ID au
Event timer).
Le COB-ID est l’identifiant du PDO transmis (ou reçu).
Le mode de transmission peut être choisi dans une liste de 4 modes (Acyclic synchronous, Cyclic
synchronous, Asynchronous producer specific, Asynchronous device specific).
Le temps d’inhibition est le temps d’attente avant d’être capable de renvoyer un PDO (utile pour éviter
les surcharges du bus).
La priorité CMS permet de donner une certaine priorité au message en cas de conflit.
Le « Event timer » représente la durée entre 2 transmissions (utile seulement dans le mode de
transmission « Asynchronous device specific »).
3. Sauvegarde des paramètres
Une fois que les paramètres sont choisis on peut les enregistrer dans l’appareil pour ne pas les
configurer à chaque mise sous tension. Pour cela il faut aller à l’index 1010H dans le Subindex 2 et y
écrire à l’aide du SDO d’écriture la donnée suivante : 0x65766173 en little endian soit 0x73617665
(« save » en ASCII)
En cas de mauvaise manipulation il est possible de remettre les paramètres par défaut.
NMT (Network ManagemenT)
Le NMT permet de contrôler chaque nœud CANopen. En effet, on peut activer, arrêter,
initialiser ou réactiver n’importe quel nœud. De par sa nature importante il possède le plus haut niveau
de priorité sur le bus.
Le NMT se compose de deux octets :
ID
Byte 0
Byte 1
00H Command
NodeID
Specifier
Le command specifier permet de dire quelle action on veut réaliser selon l’état du nœud et
l’état dans lequel nous le voulons.
Actions possibles :
NMT service
Start_Remote_Node indication
Stop_Remote_Node indication
Enter_Pre-Operational_State indication
Reset_Node_indication
Reset_Communication indication
Command Specifier
01H
02H
80H
81H
82H
87
Annexe - Protocole CANopen pour DSP402
Diagramme d’état du nœud :
Quelques millisecondes après la mise sous tension (à la fin de la phase d’initialisation interne) le
nœud se retrouve à l’état « PreOperational ». Il est nécessaire d’être à l’état « Operational » pour
envoyer des PDO mais ce n’est pas nécessaire pour les SDO.
Le NodeID est l’adresse du variateur que l’on souhaite contrôler s’il vaut 00H on s’adresse à
tous les esclaves.
88
Annexe 14.
BOMOLO)
TEST DES VERINS SUR TABLE (PAR RANDY
Montage Vérin + Variateur dans l’atelier électronique :
Procédure de mise en marche :
1. Allumer la multiprise
2. Activer la partie puissance du variateur (interrupteur ENPO)
3. Activer la régulation (interrupteur START)
Procédure d’arrêt :
1. Désactiver la régulation (interrupteur START)
2. Désactiver la partie puissance du variateur (interrupteur ENPO)
3. Eteindre la multiprise
Pour le contrôle du frein de parking, il faut choisir l’option dans l’application en anglais en
cliquant sur « Outputs » dans l’onglet « Digital » et en choisissant BRK2 sur la sortie OSDO3.
ISDO0 est l’entrée par défaut qui permet d’activer la régulation. Cependant, au niveau de la
configuration des entrées on constate qu’aucune fonction n’est affectée à l’entrée ISDO0. Par
précaution, on lui affecte la fonction START de cette manière on est sûr que cette entrée va jouer son
rôle. De plus, cette précaution permet d’obtenir un voyant START qui donnera l’état de l’entrée à droite
de l’écran (en vert pour l’état haut et en gris pour l’état bas).
Pour vérifier que le tout fonctionne on utilise le mode manuel pour faire bouger le vérin.
Mise en place du contrôle en position via le bus CAN :
Tout d’abord on sélectionne la carte métier “PCC_1 (12) = Positioning, preset of process sets
and control via CAN-Bus” comme indiqué dans le document « CDE - DSP402 (Mise en service) » dans
la partie 1.2.
Ensuite on configure le bus en choisissant l’adresse du variateur (lorsqu’on utilisera plusieurs
variateurs on pensera à donner une adresse différente à chacun), le baud rate, et le mode DSP402 en
prenant le mode 1 « profile position mode » comme indiqué dans le document précédent dans la partie
1.3.
Après, on connecte le module CAN-USB au variateur (port X5) et au PC (port USB) et on le
configure à l’aide de l’application dédiée « PcanView(USBCAN) » en choisissant le baud rate qui doit
être le même que le précédent. On ouvre une connexion sur le bus et on redémarre le variateur. Si tout
est bien réalisé, au bout de quelques secondes après son redémarrage le variateur va envoyer une trame
correspondant au « Heartbeat » avec comme identifiant 700 + NodeID en hexadécimale et un octet nul
00 (message pour dire qu’il est en marche). Le NodeID est l’adresse du variateur et par défaut c’est 1
par conséquent on doit voir afficher « 701h 00 » au démarrage au niveau des trames reçues. Si on ne
reçoit rien, il est fort possible que le module CAN interne au variateur ne soit pas alimenté par
l’alimentation externe ou que les broches soient mal soudées.
Mise en mouvement du vérin par le biais du bus CAN à l’aide de PcanView(USBCAN) (cf. CDE - DSP402
(Mise en service) partie 2 et Protocole CANopen) :
Tout d’abord comme l’activation de la régulation est effectuée par le maître du bus,
l’interrupteur START n’a aucun effet dans ce mode opératoire. Pour activer la régulation il faut
envoyer plusieurs trames dans un ordre précis selon l’état du variateur à l’aide du « control word ». Au
démarrage le variateur est à l’état « switch-on disabled » il faut alors envoyer la trame « shutdown »
pour le faire passer à l’état « ready to switch on ». Une fois à l’état « ready to switch on » on envoie la
trame « power-up » pour passer à l’état « switched on ». Enfin une fois à l’état « switched on » on peut
89
Annexe – Test sur table du contrôle de mouvement
activer la régulation en envoyant la trame « enable operation » ce qui va débloquer le frein de parking et
faire passer le variateur à l’état « operation enabled ». Dans cet état seulement, le contrôle en position
est possible.
Schéma récapitulatif :
Switch
on
disabled
Shutdow
n
Ready to
switch on
Power-up
Switched
on
Enable
operation
Operation
enabled
Ce qui donne la phase d’initialisation suivante pour le variateur possédant l’adresse 1 :
-
Envoi au variateur : 601h 22 40 60 00 06 00 00 00
Réception du maître : 581h 60 40 60 00 00 00 00 00
-
Envoi au variateur : 601h 22 40 60 00 07 00 00 00
Réception du maître : 581h 60 40 60 00 00 00 00 00
-
Envoi au variateur : 601h 22 40 60 00 0F 00 00 00
Réception du maître : 581h 60 40 60 00 00 00 00 00
Exemple de trame :
Une fois l’initialisation terminée voici comment il faut procéder pour positionner le vérin
comportant l’adresse 3 à -2000 grad (≈ 6 cm).
Tout d’abord, on écrit la position cible (-2000) dans le paramètre se nommant « target position »
à l’index 607Ah ce qui donne :
Envoi au variateur : 603h 22 7A 60 00 30 F8 FF FF
Réception du maître : 603h 60 7A 60 00 00 00 00 00
Ensuite, on valide la position cible pour que le vérin se mette en mouvement en faisant un front montant
sur le bit 4 du control word se nommant « New setpoint » sachant qu’à la fin de l’initialisation ce bit est
à0:
Envoi au variateur : 603h 22 40 60 00 1F 00 00 00
Réception du maître : 583h 60 40 60 00 00 00 00 00
A cet instant le vérin va effectuer sa course. Une fois qu’il a fini son mouvement on peut vérifier
que la position atteinte est bien la bonne en allant lire la position actuelle à l’index 6064h :
Envoi au variateur : 603h 40 64 60 00 00 00 00 00
Réception du maître : 583h 42 64 60 00 30 F8 FF FF
90