B09-2192FR-ODE/MEK
Association dite : Institut National de Recherche et de Sécurité pour la prévention des accidents du travail et des maladies professionnelles (I.N.R.S.) Système et procédé de simulation de conduite de chariot automoteur Invention de : LEMERLE Pierre POIROT Richard
Système et procédé de simulation de conduite de chariot automoteur L'invention concerne la simulation de conduite de véhicules, et plus particulièrement la simulation de conduite de chariots automoteurs destinée à la formation de caristes. Un simulateur de conduite de véhicule comprend essentiellement une cabine de pilotage avec des instruments de conduite habituels tels qu'un volant, un levier de vitesse, des pédales d'accélérateur et de frein, des moyens de restitution des efforts au volant et des effets sonores du véhicule en fonctionnement, un système électronique d'acquisition des commandes relié à un ordinateur synthétisant des images représentant l'évolution du véhicule en temps réel et projetées sur un écran placé en face de la cabine par des moyens de projection. On distingue les simulateurs statiques qui se limitent à la restitution graphique et sonore de l'environnement du véhicule des simulateurs dynamiques qui restituent également les mouvements ou accélérations du poste de conduite. Dans tous les systèmes de simulation de conduite, il s'agit de se rapprocher des conditions réelles de conduite et de garantir un degré de réalisme élevé en reproduisant notamment le comportement dynamique du véhicule conduit (trajectoires, stabilité, actions des organes de manutention). Dans le cas des chariots automoteurs, le dispositif de simulation doit être particulièrement dédié à la sensibilisation des caristes et apprenants caristes au risque de renversement latéral du chariot automoteur. On a déjà proposé de se rapprocher le plus possible des conditions réelles lors de simulations de conduite de véhicule en proposant par exemple une meilleure immersion visuelle par agrandissement du champ visuel comme c'est le cas dans le document FR2728995A1. Cependant ce document ne propose pas une vision à 360° de l'environnement virtuel et n'est donc pas tout à fait adapté à un chariot automoteur. Le document FR2809522 propose de pallier les inconvénients de sécurité de l'utilisateur en montant sur le volant de conduite un limiteur de couple entre le rotor du moteur et l'arbre du volant. Dans ce cas, le rayon de braquage correspondant au rayon de braquage du volant, le dispositif proposé ne s'approche pas des réelles conditions d'utilisation d'un chariot automoteur. Le document US7021937B2 propose quant à lui une simulation de conduite de voiture de course utilisant des réflexions d'images sur des miroirs afin de fournir une image de l'environnement virtuel à l'utilisateur. L'intérêt du simulateur est ici de permettre de réduire l'encombrement du simulateur lié à la distance de recul nécessaire à la projection.
Cependant, il ne propose pas une vision vers l'arrière, nécessaire lors de la conduite d'un chariot automoteur. Le document DE3816543A1 propose un simulateur de conduite de chariot automoteur. Cependant la vision de l'environnement virtuel se fait sur trois petits écrans indépendants, séparés par des espaces offrant ainsi une mauvaise visibilité. De plus, ce dispositif n'est pas rapidement et facilement transportable et reste coûteux. Le but de l'invention est de proposer un dispositif de simulation de conduite de chariot automoteur ayant un degré de réalisme élevé, de faible coût, facile à transporter et à installer et simple d'utilisation. I1 est donc proposé un système de simulation de conduite de chariot automoteur muni de fourches élévatrices comprenant, un système de visualisation comprenant un écran, un projecteur et un calculateur de commande exploitant un logiciel de simulation et un poste de conduite comprenant un volant, une manette pour simuler les mouvements des fourches élévatrices et au moins une pédale. I1 comprend également un système de démultiplication de l'angle de rotation du volant. Le volant et la manette sont des éléments peu coûteux. Ceci est rendu possible par l'utilisation d'éléments utilisés dans des applications de jeu. On peut également modifier la conception du volant en particulier en y ajoutant un système de démultiplication ou réducteur permettant par exemple d'avoir un rapport vitesse angulaire du volant sur vitesse angulaire de braquage des roues de cinq au lieu d'un rapport de un. Cet aspect permet de rendre réaliste la simulation, notamment parce que le facteur de démultiplication du système de démultiplication est directement lié à la vitesse de braquage des roues du chariot automoteur qui influe sur la stabilité du chariot. I1 est ainsi aisé de simuler les mouvements de renversement latéral du véhicule qui constituent un risque important dans la conduite d'un chariot automoteur devant faire partie intégrante de la simulation de conduite. On notera que, avantageusement, le logiciel de simulation est capable de restituer l'environnement virtuel complet, soit un champ visuel de 360° par projection sur un écran unique concave. En ce qui concerne l'écran, celui-ci est de préférence un écran unique concave dont l'angle solide est de 120°. La restitution de l'environnement virtuel sur 360° projetée sur un écran concave unique de 120° permet une meilleure immersion en offrant une couverture importante du champ visuel. Dans la pratique et sans correction, l'image ainsi projetée sur cette surface courbe est distordue. De préférence, la distorsion de l'image projetée est corrigée de manière logicielle consistant notamment en un algorithme capable de calculer la distorsion inverse et de l'appliquer à chaque image projetée. Avantageusement, le logiciel de simulation comprend une série de scénarii permettant d'isoler certains facteurs de risque, tels que l'effet de la vitesse, de la pente, ou le rayon de braquage afin de se rapprocher au mieux des conditions réelles de conduite et de permettre à l'apprenant cariste d'expérimenter les conséquences d'une conduite à risque notamment. De préférence, le système de conduite comprend un support sur lequel sont montés le volant, la manette et au moins une pédale disposées sur le socle du support. Le système de démultiplication est monté sur l'axe de transmission du volant. Ainsi le système de conduite est un ensemble modulaire facile à transporter et à utiliser. Le système de démultiplication comprend un ensemble d'engrenages assemblés dans un boîtier en aluminium ou en matière plastique par exemple. Le boîtier comprend des butées mécaniques de limitation du déplacement angulaire du volant afin de limiter par exemple la course du volant à cinq tours empêchant ainsi toute détérioration des composants mécaniques ou électroniques d'origine.
Dans un premier mode de réalisation, le système de visualisation comprend un moyen de restitution de l'environnement virtuel comprenant une casquette équipée de plusieurs diodes électroluminescentes et une cybercaméra. La vue projetée sur l'écran de visualisation s'adapte en temps réel à l'orientation et la position de la tête du cariste en formation. I1 est possible d'amplifier l'axe de rotation vertical de telle sorte que le cariste puisse regarder vers l'arrière du véhicule qu'il est censé conduire en effectuant une rotation de la tête de 30° seulement par exemple à droite ou à gauche. Les mouvements de la tête sont capturés avec six degrés de liberté (trois coordonnées de translation et trois angles d'orientation dans l'espace) grâce à la cybercaméra placée face à l'utilisateur et qui filme des marqueurs consistant en des diodes électroluminescentes soit classiques, soit infrarouges (pour une meilleure discrimination par rapport aux sources lumineuses parasites) voire même tout simplement un matériau réfléchissant illuminé par une source lumineuse infrarouge. Le logiciel utilise les marqueurs pour calculer la position et l'orientation de la caméra virtuelle restituant la scène, de telle sorte que le point de vue de la scène virtuelle soit constamment adapté au regard de l'utilisateur. Ce dispositif permet également d'améliorer la restitution du relief. Ce système de visualisation a un coût très peu élevé. Dans un deuxième mode de réalisation, le système de visualisation comprend un moyen de restitution de l'environnement virtuel, par exemple une caméra virtuelle synthétisant la scène virtuelle projetée, dont l'orientation et la position sont contrôlées par la manette. L'origine du moyen de restitution est déterminée en fonction de l'angle d'élévation pour optimiser la visibilité, tout comme le ferait le cariste dans la réalité en inclinant son buste vers l'avant ou vers l'arrière, selon qu'il regarde vers le haut (sommet du mât du chariot automoteur) ou vers le bas (la fourche du chariot automoteur lorsque cette dernière est en position basse). Selon un autre aspect, il est proposé un procédé de simulation de conduite de chariot automoteur comprenant un volant, au moins une pédale, et un écran concave. Dans ce procédé, on simule la conduite du chariot automoteur à l'aide du volant et d'au moins une pédale et on restitue l'environnement virtuel sur 360° en projetant les images résultantes sur un écran concave unique. La simulation est réalisée sous forme de scénarii permettant d'isoler certains facteurs de risque tels que la vitesse, la pente, le rayon de braquage ou encore l'état du sol. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 illustre une représentation schématique d'un simulateur de conduite conforme à l'invention ; - la figure 2 illustre un exemple de réalisation d'un poste de conduite d'un simulateur de conduite conforme à l'invention.
Sur la figure 1, on a représenté un système de projection 1 et un poste de conduite 2 analogue à celui d'un chariot automoteur. Les pédales n'y sont pas représentées. Le système de projection 1 comprend un écran unique translucide 3, spécialement adapté pour la rétroprojection et soutenu par deux barres 4 lui donnant une forme concave et permettant à l'utilisateur manipulant le poste de conduite 2 d'avoir un large champ de vision de l'environnement virtuel. La concavité de l'écran translucide 3 est orientée vers le poste de conduite 2. Le système de projection 1 comprend également un vidéoprojecteur 5 situé à l'opposé du poste de conduite 2 par rapport à l'écran de projection 3 et soutenu à hauteur du sol par un support non représenté sur la figure. Le vidéoprojecteur 5 projette les images par transparence sur l'écran 3. Il est connecté au calculateur de commande, ici un ordinateur 6, par des moyens de connexion 7 afin de recevoir les images à projeter sur l'écran 3. Le poste de conduite 2 comprend un volant de jeu 8 et une manette de jeu 9 reposant sur une table 10. Le volant 8 est monté sur un support 11. Le poste de conduite 2 est connecté à l'ordinateur 6 par des moyens de connexion 12. Le poste de conduite 2 comprend un système de démultiplication de l'angle de rotation du volant comprenant un ensemble d'engrenages (non visible sur la figure) assemblés dans un boîtier 13 monté sur le volant 8 entre ce dernier et le support 11. Lorsque l'apprenant cariste prend les commandes du simulateur de conduite, il utilise un pédalier comprenant un ensemble d'au moins une pédale (non visible sur la figure) afin de modifier la vitesse du véhicule, le volant 8 afin de donner une direction de déplacement au véhicule et la manette 9 afin d'actionner le mât qui permet d'incliner la charge à transporter et d'agir sur les fourches du véhicule pour lever, baisser ou translater la charge. Toutes ces commandes sont transmises à l'ordinateur 6 par des moyens de connexion 12 et sont dès lors acquises et numérisées par l'ordinateur 6. De plus, l'apprenant cariste porte une simple casquette munie de marqueurs composés de trois diodes électroluminescentes infrarouges filmées par une cybercaméra (non visible sur la figure) reliée à l'ordinateur 6. La cybercaméra permet de capturer la position instantanée des diodes électroluminescentes dans l'espace et de faire évaluer l'angle et le point de vue de la scène projetée en fonction de la position ou de l'orientation du visage de l'utilisateur. Ceci est rendu possible par un algorithme de triangulation fonctionnant en temps réel. Si par exemple, l'utilisateur veut regarder en arrière du véhicule qu'il est censé conduire, il effectue une rotation de la tête de 30° seulement par exemple vers la droite ou la gauche. Le logiciel, mis en place au sein de l'ordinateur 6, exploite les données reçues et calcule les images résultantes. Le logiciel comprend divers scenarii permettant d'isoler certains facteurs de risque comme l'effet de vitesse, de la pente, du rayon de braquage ou de l'état du sol. De plus, un algorithme corrige la distorsion des images due à une projection sur une surface non plane en calculant la distorsion inverse et en l'appliquant à chaque image à projeter. Pour finir, les images sont transmises au vidéo projecteur 5 par le biais des moyens de connexion 7 afin d'être projetée par transparence sur l'écran concave 3. L'apprenant cariste peut alors avoir une vision à 360° de l'environnement virtuel en trois dimensions dans lequel il évolue et le résultat des diverses commandes qu'il effectue lors de la simulation de conduite du chariot automoteur. Sur la figure 2, sur laquelle les éléments identiques à ceux de la figure 1 portent les mêmes références, on a représenté un exemple de réalisation d'un poste de conduite 2. Le volant 8 de jeu positionné sur le support 11 comprend sur son axe de transmission le système de démultiplication, encore appelé réducteur, comprenant un système d'engrenage assemblés dans le boîtier 13. De plus, un pédalier 18 comprenant un ensemble d'au moins une pédale est intégré au poste de conduite 2 en étant fixé sur le socle 19 du support 11. Le réducteur permet de restituer un facteur de démultiplication exact entre le volant et les roues du chariot virtuel. Pour ce faire, le réducteur opère un coefficient de démultiplication de cinq entre le volant et son axe engrené. Ce système mécanique simple rend possible la réalisation d'un poste de simulation de conduite à la fois réaliste et peu coûteux, à partir d'un ensemble volant pédalier utilisé dans les applications de jeu. Deux butées mécaniques (non visibles sur la figure) permettent de limiter la course du volant à cinq tours empêchant ainsi toute détérioration des composants mécaniques ou électroniques d'origine. Le boîtier 13 comprend un axe d'entrée 14 fixé au volant et un axe de sortie 15 raccordé au support 11. Ces axes d'entrée et de sortie 14 et 15 sont creux pour assurer le libre passage des moyens de connexions 12, tels que des câbles électriques, reliant les commandes boutons poussoirs du volant 8 à l'ordinateur 6. Lorsque l'utilisateur effectue cinq tours de volant 8 facilité par la présence d'une poignée 17 fixée sur le volant 8, le système d'engrenage assemblé dans le boîtier 13 se met en marche et est constitué pour entraîner une vitesse angulaire de braquage des roues équivalente à un tour de volant 8. L'utilisateur peut visualiser cette rotation sur l'écran 3 sur laquelle les images correspondantes à cette rotation ont été transmises par le calculateur de commande 6 du système de visualisation 1. La cabine du chariot ainsi que le poste de conduite comprenant le volant 8 sont reproduits sur l'écran de projection. Le système de démultiplication de l'angle de rotation du volant garantit un degré de réalisme élevé et permet à l'utilisateur de se rendre compte des risques encourus notamment en cas de vitesse de braquage des roues trop importante dans une situation de simulation très proche de la réalité. Le volant 8, le boîtier 13 du système de démultiplication, la manette 9 et le pédalier 18 sont tous montés sur le support 11 formant ainsi un ensemble modulaire facile à transporter et à installer. Ainsi, tous les éléments constituant le système de visualisation et le poste de conduite permettent d'obtenir une excellente simulation de conduite d'un chariot automoteur tenant compte des situations de danger habituel et offrant la possibilité d'avoir une visibilité sur 360° de l'environnement virtuel et notamment une vision vers l'arrière du véhicule, importante lors de la conduite d'un chariot automoteur.