FR3041753A1

FR3041753A1 - Methode de determination de la surface de trainee aerodynamique d'un vehicule

Info

Publication number: FR3041753A1
Application number: FR1559261A
Authority: FR
Inventors: Manuel Sellier; Bernard Sellier
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-09-30
Filing date: 2015-09-30
Publication date: 2017-03-31
Anticipated expiration: 2035-09-30
Also published as: FR3041753B1; WO2017055759A1

Abstract

L'invention concerne une méthode de détermination de facteurs caractéristiques d'un véhicule et de son environnement, en conditions réelles de déplacement sans freinage sur un trajet, exposé au vent; ladite méthode étant remarquable en ce qu'elle comprend les étapes suivantes : a) La mesure de la distance parcourue et de la vitesse du véhicule pour deux premiers déplacements, aller et retour, sur ledit trajet, dans des premières conditions de vitesse ; b) La mesure de la distance parcourue et de la vitesse du véhicule pour deux seconds déplacements, aller et retour, sur ledit trajet, dans des secondes conditions de vitesse ; c) La détermination des facteurs caractéristiques, incluant la surface de trainée aérodynamique (Cx.S), le coefficient de roulement (Cr) et la vitesse du vent (vvent), à partir de 3 équations dérivées du principe de conservation de l'énergie et répondant aux 3 contraintes suivantes : i. La somme des dénivelés du trajet, établis pour les deux premiers déplacements, à partir des mesures de l'étape a) s'annule ; ii. La somme des dénivelés du trajet, établis pour les deux seconds déplacements, à partir des mesures de l'étape b) s'annule ; iii. es dénivelés du trajet, établis pour un des premiers déplacements, aller ou retour, et pour l'un des seconds déplacements, respectivement aller ou retour, sont égaux.

Description

METHODE DE DETERMINATION DE LA SURFACE DE TRAINEE AERODYNAMIQUE D'UN VEHICULE

DOMAINE DE L'INVENTION

La présente invention concerne le domaine des dispositifs de mesure et de détermination des forces s'exerçant sur un véhicule en mouvement.

ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION

Pour améliorer ses performances de vitesse, un véhicule, qu'il soit à propulsion mécanique ou humaine, peut envisager deux solutions : soit augmenter sa faculté à produire une force motrice (puissance), soit diminuer les forces qui le freinent.

Dans le cas d'un cycliste, l'amélioration de sa puissance viendra principalement d'un entraînement assidu. Le second levier est la diminution des forces de résistance pendant son déplacement. Lorsque le cycliste escalade un col de montagne, l'essentiel de la force qui s'oppose à son avancement est le poids. Il cherchera donc à s'alléger au maximum (masse grasse, matériel, etc.) afin d'atténuer l'intensité de cette force. Pour s'assurer de l'efficacité de son allègement, le cycliste dispose d'un moyen de mesure simple, précis, peu onéreux et largement disponible, à savoir la balance dynamométrique personnelle, plus couramment appelée pèse-personne. Lorsque le cycliste se trouve sur un parcours plat, l'essentiel de la force contre laquelle il lutte est la traînée aérodynamique : elle dépend de la masse volumique du fluide (l'air pour le cycliste) , de la vitesse du cycliste et de la surface de traînée aérodynamique, exprimée par le terme Cx.S, produit du facteur Cx, coefficient de traînée (facteur de forme) et du facteur S, surface de référence (surface frontale). Pour améliorer le facteur Cx, le cycliste pourra utiliser du matériel spécifique : roue lenticulaire, cadres profilés, casques de contre-la-montre carénés, etc. Pour améliorer le facteur S, le cycliste tentera de s'abaisser au maximum sur son vélo et d'utiliser un guidon spécial dit de triathlète. Le cycliste pourra également tester différentes positions qui pourront aboutir à des compromis Cx et S très différents. Des vêtements spécifiques (combinaisons, gants, sur-chaussures, etc.) permettront également de favoriser la pénétration dans l'air en influençant le terme Cx.S.

Cependant, malgré la multitude d'options techniques pour améliorer le terme Cx.S, il n'existe aucun moyen de mesure de ce dernier qui soit, à l'image du pèse-personne pour la masse, précis, bon marché et à disposition de tous les cyclistes.

Parmi les moyens existants de mesure de la traînée aérodynamique, on connaît notamment les tests en soufflerie : ils consistent à placer le cycliste dans un écoulement d'air contrôlé et à mesurer à l'aide d'un dynamomètre la traînée aérodynamique s'exerçant sur ce dernier. En connaissant la vitesse du flux avec précision, il est possible d'en déduire le facteur Cx.S avec une grande exactitude. Ses inconvénients résident dans son coût élevé, lié aux importantes infrastructures nécessaires à sa mise en œuvre, ainsi que dans sa très faible disponibilité (seulement quelques souffleries disponibles en Europe pour les cyclistes amateurs).

Parmi les tests effectués sur le terrain, on connaît la méthode d'élévation virtuelle sur circuit fermé dite « Méthode de Chung » (cf publication « Estimating CdA with a power meter » de R.Chung, version mise à jour en mars 2012) . Cette méthode a été élaborée par Robert Chung en 2003. Elle consiste à recalculer une altitude dite virtuelle sur un parcours fermé sans vent ni véhicule extérieur, effectué plusieurs fois, sans freiner, en faisant des hypothèses sur la trainée aérodynamique et le coefficient de roulement Cr. La vitesse du véhicule (cycliste sur son vélo) et potentiellement la puissance développée par le cycliste sont mesurées par des capteurs. Dans l'équation liant l'altitude à la puissance développée, à la vitesse, à Cr et à Cx.S, les valeurs réalistes de Cx.S et Cr sont celles qui permettent d'obtenir une élévation virtuelle identique pour chacun des parcours effectués. La méthode de Chung implique néanmoins plusieurs contraintes ; d'abord, il faut pouvoir effectuer un parcours en boucle fermée sans freiner, et ceci en toute sécurité et sans véhicule extérieur : en pratique, des parcours en cuvette entre 2 ronds-points sans virage important. Ce genre de parcours est très difficile à trouver, surtout en zone urbaine. Par ailleurs, la méthode de Chung ne dit pas précisément comment discriminer les termes Cx.S et Cr. La solution trouvée est en effet un couple possible (Cx.S, Cr) . En fixant une hypothèse pour Cr, il est possible d'observer la variation relative de Cx.S pour différents essais. Cependant la valeur absolue reste inaccessible. L'autre inconvénient de cette technique réside dans la difficulté d'effectuer une multitude de parcours dans les conditions météorologiques requises (sans vent) pour obtenir la meilleure précision de mesure.

Le brevet US7377180 propose une autre méthode pour mesurer la force totale s'opposant au déplacement d'un véhicule. Elle requiert plusieurs capteurs (accéléromètre, baromètre, capteur de vitesse...) . Le protocole de test consiste à monter à une certaine vitesse, couper la puissance appliquée au véhicule (roue libre) puis à enregistrer tous les paramètres fournis par les capteurs (pente, vitesse / sol, vitesse du vent).

Les paramètres Cx.S et Cr sont ensuite ajustés par des algorithmes de manière à faire correspondre la courbe de décélération théorique avec celle effectivement enregistrée. L'inconvénient de cette méthode est que, dans la pratique, la précision des résultats est souvent médiocre à cause du manque de justesse des capteurs, en particulier l'inclinomètre et les capteurs de vent.

OBJET DE L'INVENTION

Un objet de l'invention est donc de proposer une méthode permettant de déterminer la performance aérodynamique d'un véhicule, remédiant aux inconvénients de l'art antérieur. Un objet de l'invention est notamment de proposer une méthode permettant de déterminer la surface de traînée aérodynamique, le coefficient de roulement d'un cycliste sur son bicycle, ainsi que la vitesse moyenne du vent sur le trajet effectué.

BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION L'invention concerne une méthode de détermination de facteurs caractéristiques d'un véhicule et de son environnement, en conditions réelles de déplacement sans freinage sur un trajet, exposé au vent; ladite méthode étant remarquable en ce qu'elle comprend les étapes suivantes : a) La mesure de la distance parcourue et de la vitesse du véhicule pour deux premiers déplacements, aller et retour, sur ledit trajet, dans des premières conditions de vitesse ; b) La mesure de la distance parcourue et de la vitesse du véhicule pour deux seconds déplacements, aller et retour, sur ledit trajet, dans des secondes conditions de vitesse ; c) La détermination des facteurs caractéristiques, incluant la surface de traînée aérodynamique (Cx.S), le coefficient de roulement (Cr) et la vitesse du vent (Vvent) , à partir de 3 équations dérivées du principe de conservation de l'énergie et répondant aux 3 contraintes suivantes: i. La somme des dénivelés du trajet, établis pour les deux premiers déplacements, à partir des mesures de l'étape a) s'annule ; ii. La somme des dénivelés du trajet, établis pour les deux seconds déplacements, à partir des mesures de l'étape b) s'annule ; iii. Les dénivelés du trajet, établis pour un des premiers déplacements, aller ou retour, et pour l'un des seconds déplacements, respectivement aller ou retour, sont égaux. L'invention permet ainsi de déterminer une valeur pour chacun des facteurs caractéristiques Cx. S et Cr et de déterminer un facteur caractéristique de l'environnement vvent ·

Selon des caractéristiques avantageuses de l'invention, prises seules ou en combinaison : • au moins deux conditions de vitesse parmi les premières conditions de vitesse aller et retour et les secondes conditions de vitesse aller et retour sont différentes ; • les deux premiers déplacements sont effectués avec une vitesse initiale inférieure à 25km/h et les deux seconds déplacements sont effectués avec une vitesse initiale supérieure à 25km/h ; • les deux premiers déplacements et/ou les deux seconds déplacements sont effectués en roue libre, permettant ainsi de s'affranchir des imprécisions de mesure des capteurs de puissance ; • la puissance motrice pour effectuer les deux premiers déplacements et/ou pour effectuer les deux seconds déplacements est mesurée sur ledit trajet ; • l'étape c) permet de déterminer le profil d'altitude réel du trajet, par calcul de la moyenne de deux premiers et de deux seconds profils d'altitude établis pour les deux premiers et les deux seconds déplacements, à partir des mesures des étapes a) et b) et des valeurs déterminées à l'étape c) des facteurs caractéristiques ; • un calcul reflétant la corrélation entre les différents profils d'altitude, par exemple un calcul d'écart type, permet de valider la précision des valeurs déterminées des facteurs caractéristiques ; • la température et la pression de l'air sont mesurées au cours des deux premiers et/ou des deux seconds déplacements et ces mesures sont utilisées à l'étape c) ; • une nouvelle surface de traînée aérodynamique (Cx.S) peut être déterminée en réalisant les étapes additionnelles suivantes : d) La mesure de la distance parcourue et de la vitesse du véhicule pour un troisième déplacement, aller ou retour, sur ledit trajet ou une portion dudit trajet, dans des troisièmes conditions de vitesse ; e) La détermination de la nouvelle surface de traînée aérodynamique (Cx.S) et de la vitesse du vent (vvent) / à partir du coefficient de roulement (Cr) et du profil d'élévation réel déterminés à l'étape c) , d'une équation dérivée de la loi de la conservation d'énergie et des mesures de l'étape d). • le troisième déplacement est effectué en roue libre ou la puissance motrice pour effectuer le troisième déplacement est mesurée sur ledit trajet ; • la valeur déterminée de la vitesse du vent (vvent) conduit à avoir une valeur calculée de la nouvelle surface de traînée aérodynamique (Cx.S) sensiblement constante sur ledit trajet, lors du troisième déplacement ; • le trajet correspond à au moins un tronçon déterminé d'un parcours, sur lequel le véhicule n'est pas soumis à des contraintes extérieures ; • les tronçons sont précisément déterminés par une fonction GPS et/ou par un capteur magnétique de comptage de tours de roues associé à un magnétomètre ou autre moyen permettant de discriminer un sens de déplacement ; • le trajet a une longueur inférieure à 1km, préférentiellement comprise entre 50m et 300m ; • les valeurs déterminées de la surface de traînée aérodynamique (CxS), du coefficient de roulement (Cr) et de la vitesse du vent (vvent) sont affichées sur un écran d'un dispositif ; • le dispositif est un compteur ou un terminal mobile.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée de l'invention qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquelles : la figure 1 représente les différentes forces s'exerçant sur un cycliste sur son vélo lors d'un déplacement; la figure 2 représente un exemple de profil de dénivelé réel obtenu par la méthode selon l'invention.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

La présente invention est décrite en application à un cycliste sur son bicycle, à titre d'exemple. Elle est applicable à tout véhicule se déplaçant par apport d'énergie humaine ou mécanique, comme par exemple un véhicule roulant, flottant, glissant...

Préambule :

Comme illustré sur la figure 1, il existe différentes forces s'exerçant sur un véhicule en déplacement, par exemple un cycliste se déplaçant sur son vélo. • La force de la pesanteur (ou le poids), qui s'exprime, dans le repère (x', y' , z' ) :

[équ. 1] avec m la masse du véhicule (le cycliste avec son vélo par exemple) et g l'accélération de la pesanteur (voisine de 9,81 m/s2 à l'altitude 0 m).

Dans le repère (x, y, z) (par la suite les différentes forces seront exprimées dans ce repère), la force de la pesanteur peut également être exprimée de la manière suivante:

[équ. 2] avec p la pente (correspondant au rapport entre le dénivelé et la distance horizontale parcourue) injectée dans l'équation en considérant une approximation des angles faibles et a l'angle de la route par rapport à l'horizontale. • La force de frottement dans le fluide environnant ou force aérodynamique, par exemple dans l'air dans le cas du cycliste.

Cette force est le principal frein du cycliste lorsque celui-ci roule sur le plat ou en descente. Elle peut s'exprimer sous la forme suivante :

[équ. 3] avec Cx le coefficient de traînée, S la surface de référence ou surface frontale du véhicule (c'est-à-dire le cycliste et son vélo), p la densité de l'air (typiquement 1,2 kg/m3 au niveau de la mer) , et v la vitesse du cycliste par rapport au vent (c'est la vitesse du cycliste par rapport au sol lorsque la vitesse du vent est nulle) . Le produit Cx.S varie typiquement entre 0,2 m2 pour les meilleurs coureurs professionnels en position abaissée optimisée et 0,7 m2 pour le cycliste droit sur son vélo qui ne fait pas d'effort particulier pour réduire sa surface frontale.

• La force de roulement qui s'exprime :

[équ. 4] avec Cr le coefficient de roulement englobant l'ensemble des frottements secs (moyeu, pneu/route,...) . Ce coefficient vaut typiquement 0,004 pour des pneus standard roulant sur une route en très bon état. • La force d'avancement ou force motrice :

Pour avancer et lutter contre les forces décrites ci-dessus, le cycliste va agir au niveau des pédales de manière à générer une force d'avancement. Il existe à l'heure actuelle de nombreux dispositifs électroniques permettant de mesurer cette force motrice. Le plus souvent c'est la puissance P de cette force motrice (travail de la force motrice par unité de temps) qui est remontée par ces dispositifs. Ces derniers sont ainsi souvent appelés capteurs de puissance. La relation entre la puissance P et la force d'avancement peut s'exprimer de la manière suivante :

[équ. 5] avec V la vitesse du cycliste par rapport au sol. L'énergie (ou le travail) fourni par chacune de ces forces au cours du déplacement du véhicule sur un trajet peut s'exprimer :

[équ. 6] avec H le dénivelé du trajet

[équ. 7] avec L la longueur du trajet [équ. 8] [équ. 9]

Selon le principe de conservation de l'énergie, la variation d'énergie cinétique est égale au travail des différentes forces, soit :

[équ. 10]

Ce qui mène à l'expression suivante :

[équ. 11] avec VQ , la vitesse initiale du véhicule au point de départ du trajet, et VL , la vitesse du véhicule au point d'arrivée du trajet, c'est-à-dire après une distance L parcourue. L'équation [équ.11] permet de relier : des paramètres connus ou facilement mesurables : g l'accélération de la pesanteur, p la densité de l'air, m la masse du véhicule (le cycliste et son vélo), V la vitesse du véhicule (par rapport au sol) et P la puissance fournie par le cycliste ; et les paramètres : H (le dénivelé du trajet), Cr (le coefficient de roulement), Cx. S (la surface de traînée aérodynamique) et la vitesse du vent (incluse dans le terme v, correspondant à la vitesse du cycliste par rapport au vent).

On peut extraire de l'équation [équ.11] l'expression du dénivelé H en fonction des autres paramètres précités. Sur le trajet selon l'axe x (figure 1), comportant n points (xi°, x2,..., xnL) / le dénivelé H entre le point initial du trajet (xi°) et le dernier point (xnL, à une distance L, longueur du trajet) peut s'écrire :

[équ. 12] Méthode de détermination de facteurs caractéristiques d'un véhicule et de son environnement :

La méthode de détermination de facteurs caractéristiques d'un véhicule et de son environnement selon l'invention comprend plusieurs étapes.

Considérons qu'un cycliste souhaite connaître des facteurs caractéristiques tels que sa surface de traînée aérodynamique (Cx.S) et son coefficient de roulement (Cr) , dans une configuration à tester d'équipements (habits, casque, guidons...) et de position sur son vélo.

La première étape de la méthode de détermination selon l'invention consiste à effectuer deux premiers déplacements en conditions réelles sur un trajet, l'un correspondant à un premier déplacement aller et l'autre correspondant à un premier déplacement retour sur ce trajet. Ces premiers déplacements sont caractérisés par des premières conditions de vitesse. Au cours de ces deux premiers déplacements, le cycliste se sera placé dans la configuration à tester et la distance parcourue et la vitesse par rapport au sol du cycliste seront notamment mesurées et enregistrées, en plusieurs points du trajet.

La deuxième étape de la méthode de détermination selon l'invention consiste à effectuer deux seconds déplacements en conditions réelles sur le même trajet, l'un correspondant à un second déplacement aller et l'autre correspondant à un second déplacement retour sur ce trajet. Ces seconds déplacements sont caractérisés par des secondes conditions de vitesse. Au cours de ces deux seconds déplacements, le cycliste se sera également placé dans la configuration à tester et la distance

parcourue et la vitesse par rapport au sol du cycliste seront notamment mesurées et enregistrées, en plusieurs points du traj et.

On entend donc par trajet, un tronçon de parcours défini, parcouru par le véhicule, en plusieurs points (n) duquel sont collectées les données mesurées depuis le point de départ (xi°) jusqu'au point d'arrivée (xnL, situé à une distance L du point de départ xi°) .

Avantageusement, le trajet aura une longueur L inférieure à 1km, préférentiellement comprise entre 50m et 300m, afin de raccourcir le protocole de test et de le simplifier : en effet, sur de courtes distances, il sera par exemple aisé pour le cycliste d'effectuer le trajet sur son élan, en roue libre, permettant ainsi de s'affranchir du capteur de puissance (dans le cas d'une roue libre, la puissance fournie par le cycliste étant connue car nulle).

Avantageusement, sur un trajet d'une longueur L mètres, n points de mesure seront enregistrés, avec n compris entre L/10 et lOxL, par exemple par des capteurs de vitesse et/ou de tours de roue. A titre d'exemple, le dispositif de mesure consiste en un relais magnétique fixe associé à un aimant fixé à la roue et à une horloge, permettant de mesurer le temps (avec une précision de 0.1 milliseconde) mis pour effectuer un certain nombre de tours de roue. Ce qui revient en pratique à chronométrer tous les 2 mètres environ pour un vélo équipé de roues de 700 mm. Bien sûr, en multipliant les aimants fixés à la roue, on peut augmenter le nombre de points pour améliorer la précision.

Avantageusement, au moins 2 des 4 trajets aller et retour présenteront des conditions de vitesse différentes.

Selon un cas de figure, les premières conditions de vitesse pour le premier déplacement aller et le premier déplacement retour pourront être identiques. Les secondes conditions de vitesse pour le second déplacement aller et le second déplacement retour pourront également être identiques. Avantageusement, les premières conditions de vitesse seront donc différentes des secondes conditions de vitesse.

Selon une variante, les premières conditions de vitesse pourront être différentes entre le premier déplacement aller et le premier déplacement retour. Avantageusement les secondes conditions de vitesse seront définies de sorte que l'un ou l'autre des seconds déplacements (aller et retour) soit identique à l'un ou l'autre des premiers déplacements.

Selon encore une autre variante, les 4 conditions de vitesse premier aller, premier retour, second aller, second retour pourront être différentes.

On pourra par exemple réaliser les premiers déplacements dans des conditions de vitesse dites faibles, correspondant à des vitesses inférieures à 25km/h. Et on pourra par exemple réaliser les seconds déplacements dans des conditions de vitesse dites hautes, correspondant à des vitesses supérieures à 25km/h. A titre d'exemple, la vitesse initiale, c'est-à-dire au niveau du point de départ sur le trajet, pour les deux premiers déplacements, pourra être de 25km/h et la vitesse sera ensuite maintenu inférieure ou égale à 25km/h tout le long du trajet (sur la distance L) ; la vitesse initiale, c'est-à-dire au niveau du point de départ sur le trajet, pour les deux seconds déplacements, pourra être de 40km/h et la vitesse sera ensuite maintenu supérieure ou égale à 25km/h tout le long du trajet (sur la distance L).

La troisième étape de la méthode de détermination selon l'invention consiste à déterminer les facteurs caractéristiques du véhicule (le cycliste et son vélo) incluant la surface de trainée aérodynamique (Cx.S) et le coefficient de roulement (Cr) . La vitesse du vent moyen durant les 4 déplacements (vvent) , qui constitue un facteur caractéristique de l'environnement du véhicule doit être pris en compte sous peine d'introduire des erreurs dans les valeurs déterminées des termes Cx.S et Cr.

Cette étape de détermination se fonde sur le principe de la conservation de l'énergie, traduit par l'équation [équ.12].

En considérant que le véhicule subit une composante faciale du vent (vvent) dans le sens aller des déplacements, l'expression du dénivelé H dans le cas du premier et du second déplacement aller sur le trajet s'écrit (d'après l'équation [équ.12]) :

[équ. 13]

Dans le cas du premier et du second déplacement retour, l'expression de l'altitude H s'écrit :

[équ. 14] A partir des équations [équ. 13] et [équ. 14], le dénivelé sur le trajet peut être établi pour chacun des 4 déplacements effectués : H\ller pour le premier déplacement aller, H^etour pour le premier déplacement retour, H^ller pour le second déplacement aller, //|etowr pour le second déplacement retour. L'établissement de chaque dénivelé nécessite l'injection dans les équations [équ.13] et [équ.14] de différents paramètres : certains sont invariables pendant le trajet : ils sont mesurés préalablement à la réalisation du test (c'est le cas de la masse du véhicule, comprenant le cycliste et son vélo) ou sont connus (en particulier, l'accélération de la pesanteur). d'autres peuvent être variables en fonction du temps et donc de l'avancement x sur le trajet ; ils sont mesurés

par des capteurs présents sur le véhicule en déplacement à intervalles de temps régulier tout au long du trajet (pendant les deux premières étapes de la méthode selon l'invention) : la vitesse du véhicule, la puissance développée par le véhicule (par le cycliste en l'occurrence) pour avancer (puissance motrice) via un capteur de puissance et la densité de l'air via un capteur de pression/baromètre. Selon une variante, il est possible de réaliser certains ou la totalité des 4 déplacements en roue libre, ce qui permet d'annuler la puissance motrice et donc de s'affranchir du capteur de puissance. Selon une autre variante, on pourra faire une approximation sur la densité de l'air en utilisant une valeur estimée, sans réaliser de mesure barométrique pendant le trajet. d'autres paramètres enfin constituant les termes à déterminer (Cx.S, Cr, vvent) , sont supposés invariables sur le trajet, pendant les 4 déplacements effectués. Rappelons que pour que le paramètre de surface de traînée aérodynamique (Cx.S) soit constant au cours du trajet, le véhicule (dans notre exemple, le cycliste et son vélo) devra effectuer les trajets dans des conditions (position, équipements) constantes. Le caractère constant du vent est pris comme hypothèse compte tenu du fait que les 4 déplacements à effectuer selon la méthode de détermination de la présente invention peuvent être relativement courts et peuvent donc être effectués dans une faible période de temps, à conditions météorologiques sensiblement constantes.

La troisième étape de détermination des facteurs caractéristiques du véhicule (le cycliste et son vélo) incluant la surface de traînée aérodynamique (Cx.S), le coefficient de roulement (Cr) et la vitesse du vent (vvent) , est basée sur la résolution d'un système à 3 équations, par exemple par la méthode de Cramer. L'établissement de ces 3 équations part de trois contraintes sur les dénivelés de début et de fin de trajet: • La somme des dénivelés du trajet, établis pour les deux premiers déplacements s'annule ; soit :

[équ.15] • La somme des dénivelés du trajet, établis pour les deux seconds déplacements s'annule ; soit :

[équ.16] • Les dénivelés du trajet, établis pour un des premiers déplacements, aller ou retour, et pour l'un des seconds déplacements, respectivement aller ou retour, sont égaux ; soit : [équ.17] ou [équ.17']

Ainsi donc, si les variations de dénivelés AH1, AH2 et AH^’2 (ou Δ//β2) citées ci-dessus (calculées à partir des paramètres connus, des paramètres mesurés lors des différents déplacements et de valeurs arbitraires des facteurs Cr, Cx.S et vVent) ne satisfont pas aux équations [équ.15], [équ.16] et [équ.17] (ou [équ.17']), cela est nécessairement dû aux erreurs sur les valeurs arbitraires utilisées des facteurs Cr, Cx.S et

Vvent ·

En reprenant l'expression du dénivelé H des équations [équ.13] et [équ.14], on peut déterminer la relation entre une variation ACr, ACx.S et Avvent des facteurs caractéristiques et la variation induite sur le dénivelé H.

En particulier, une variation ACr génère une variation du dénivelé :

[équ.18]

Une variation de A[Cx.S] génère une variation différente du dénivelé pour un trajet Aller et pour un trajet Retour : [équ. 19] [équ. 2 0]

Enfin, une variation de Avvent génère également une variation différente du dénivelé pour un trajet Aller et un trajet Retour, qu'on peut écrire sous la forme suivante en supposant que Avvent est très petit devant (V+Avvent) ou (V-Avvent ) i [équ. 21] et [équ. 22]

On peut ainsi relier les variations de dénivelés AH1, AH2 et AHa' obtenues (calculées à partir des paramètres connus, des paramètres mesurés lors des différents déplacements et de valeurs initiales arbitraires des facteurs Cr, Cx.S et vvent) aux variations ACr, A[Cx.S] et Avvent des facteurs caractéristiques Cr, Cx.S et vvent et obtenir un système de 3 équations à 3 inconnues (ACr, ACx. S et Avvent) r typiquement sous la forme : [équ. 23] [équ. 24] [équ. 25] où les termes A, A', B, B', B'', C, C', C'' s'expriment à partir des équations [équ. 18] à [équ.22].

La résolution d'un tel système peut se faire par exemple par la méthode de Cramer et aboutit à l'obtention des corrections (ACr, ACx.S et Avvent) à appliquer aux valeurs arbitraires des facteurs caractéristiques initialement injectées. Suite à cette première itération de calcul, on peut alors déterminer des valeurs corrigées des facteurs caractéristiques.

Les équations [équ.21] et [équ.22] étant basées sur l'approximation que vvent est petit devant V (vitesse du véhicule), et les coefficients de ces équations dépendant de la valeur de Cx.S, il sera avantageux de réitérer le calcul complet avec les valeurs des facteurs caractéristiques, corrigées suite à la première itération de calcul, jusqu'à convergence des variations de dénivelés AH1, AH2 et AH^'2 (ou AHr' ) vers des valeurs nulles. En pratique, un seuil de convergence sera défini pour limiter les itérations de calcul ; par exemple de l'ordre de 1mm.

La méthode de détermination conforme à l'invention peut être décrite sous forme d'un algorithme. Selon un mode de réalisation de la méthode conforme à l'invention, cet algorithme peut être programmé dans un calculateur, intégré à un dispositif portatif muni d'un écran, pouvant recevoir les données mesurées (ou effectuer les mesures) pendant le test et susceptible d'être embarqué sur le véhicule et consulté in situ par le cycliste.

Selon un autre mode de réalisation de la méthode conforme à l'invention, cet algorithme peut être intégré à une application sur un dispositif mobile (par exemple téléphone portable, tablette numérique ou montre connectée...) , capable de recevoir les données mesurées (ou d'effectuer les mesures) pendant le test et susceptible d'être embarqué sur le véhicule et consulté in situ par le cycliste.

Validation de la précision des valeurs déterminées des facteurs caractéristiques :

La méthode selon l'invention comporte en outre une étape de validation de la précision des valeurs déterminées des facteurs caractéristiques. En effet, supposons qu'une rafale de vent se produise pendant, par exemple le premier déplacement retour. La méthode de détermination ou l'algorithme associé va se dérouler jusqu'à converger normalement vers le seuil de convergence défini et fournir les valeurs calculées des facteurs caractéristiques. Comme la méthode selon l'invention prend pour hypothèse que le vent est constant pendant les différents déplacements, on peut supposer que les valeurs déterminées des facteurs caractéristiques seront entachées d'erreur. La méthode selon l'invention procure également un indicateur pour valider la précision des valeurs déterminées des facteurs caractéristiques.

Une rafale de vent pendant le premier déplacement retour va se traduire par une différence sur le profil de dénivelé H(x) calculé, entre les deux premiers déplacements (aller et retour). Ce profil de dénivelé en fonction du déplacement x sur le trajet peut être établi à partir des équations [équ.13] et [équ.14], en injectant les valeurs déterminées des facteurs caractéristiques et les valeurs mesurées en chaque point x du trajet. Il s'exprime ainsi, selon que le déplacement est fait en Aller ou en Retour sur le trajet :

[équ. 2 6]

[équ. 27]

Tous les termes étant connus, mesurés ou déterminés précédemment, la différence entre deux profils Aller et Retour peut être évaluée par un calcul reflétant la corrélation entre les différents profils d'altitude : à titre d'exemple, la différence entre deux profils Aller et Retour peut être évaluée par le calcul de l'écart-type entre les populations de points de chacun des deux premiers profils de dénivelé.

Notons qu'une distorsion du profil de dénivelé peut également se produire lors du croisement d'un autre véhicule sur le trajet (perturbation du flux aérodynamique) ou lors d'un freinage par le véhicule (cycliste et vélo) en cours de test. Par comparaison des profils de dénivelé aller et retour, établis pour les premiers et seconds déplacements, et en particulier par calcul de l'écart-type entre les populations de points de chacun des profils de dénivelé, il est possible de vérifier la bonne réalisation du protocole de test selon la méthode de l'invention et de valider la précision des valeurs déterminées des facteurs caractéristiques. Par exemple, dans le cas d'un écart-type calculé trop important (qui traduit une précision insuffisante sur les valeurs déterminées des facteurs caractéristiques), le cycliste est informé et peut décider de relancer un protocole de test pour atteindre une meilleure précision.

Obtention du profil d'altitude réel du trajet et protocole simplifié pour de nouveaux tests:

Après l'obtention des facteurs caractéristiques conformément à la méthode de détermination de l'invention, on a accès au profil de dénivelé réel du trajet (illustré sur la figure 2) : il correspond à la moyenne des deux premiers et deux seconds profils de dénivelé, calculés avec les valeurs déterminées finales (c'est-à-dire, potentiellement après plusieurs itérations de calcul effectuées jusqu'à convergence des variations de dénivelés AH1, AH2 et AH(ou ΑΗχ2) vers des valeurs nulles) . Il est à noter que cette méthode permet d'atteindre un très bon niveau de précision sur le profil d'altitude réel, typiquement de l'ordre de quelques cm.

Sans modification du coefficient de roulement Cr (même trajet, même route, même pneus de vélo...), il est possible d'ajouter un protocole simplifié comportant deux étapes, aux trois étapes précédemment détaillées de la méthode selon l'invention, pour évaluer d'autres configurations à tester d'équipements (habits, casque, guidons...) et de position sur son vélo.

La première étape de ce protocole simplifié consiste à effectuer un troisième déplacement en conditions réelles sur le trajet ou sur une portion du trajet, dans le sens aller ou retour. Ce troisième déplacement est caractérisé par des troisièmes conditions de vitesse. Au cours de ce troisième déplacement, le cycliste se sera placé dans la nouvelle configuration à tester et la distance parcourue ainsi que la vitesse par rapport au sol du cycliste seront mesurées et enregistrées, pour chaque point du trajet ou de la portion de traj et.

La loi de conservation d'énergie entre deux points dit que l'énergie cinétique (1/2.m.V2) perdue est égale à la somme du travail des forces de frottement et de l'accroissement de l'énergie potentielle.

Cela aboutit, par exemple dans le cas d'un déplacement en roue libre (c'est-à-dire avec P, puissance développée par le cycliste nulle), à l'équation [équ.28] :

[équ. 2 8] où h est le gain d'altitude depuis le début du trajet, 1 la distance parcourue et Vo la vitesse initiale du cycliste (au début du trajet, lors du troisième déplacement).

En se basant sur l'équation [équ.28], la seconde étape de ce protocole simplifié consiste à déterminer la valeur du facteur vvent/ de sorte que la valeur de CxS calculée soit la plus constante possible entre chacun des points de mesure x lors du troisième déplacement. La moyenne des valeurs de Cx. S calculée pour l'ensemble des points de mesure fournit la

valeur de la surface de trainée aérodynamique Cx.S déterminée dans la nouvelle configuration de test du cycliste.

Ainsi, la vitesse du vent vvent et la surface de trainée aérodynamique Cx.S peuvent être déterminés avec un seul déplacement additionnel.

Utilisation de tronçons de parcours :

Pendant les deux premiers et les deux seconds déplacements sur le trajet, il est avantageux qu'aucune contrainte extérieure ne perturbe le véhicule (cycliste et vélo), comme par exemple un danger environnant l'obligeant à freiner sur le trajet ou encore la présence de véhicules extérieurs (voiture, moto, autre cycliste...) susceptibles de perturber les facteurs caractéristiques (notamment la trainée aérodynamique) du véhicule en cours de test et de son environnement.

La méthode de détermination selon l'invention propose ainsi d'isoler un tronçon (ledit trajet) d'un parcours présentant des facilités de retournement en ses extrémités : le véhicule peut ainsi facilement réaliser les déplacements Aller et Retour définis dans le protocole de test selon l'invention. Un tel parcours peut constituer ledit trajet mais demeure très difficile à trouver (peu passant, avec capacité de retournement sans freiner...) . Le tronçon, lui, sera choisi de telle sorte que le véhicule ne soit pas soumis à des contraintes extérieures : il correspondra par exemple à un tronçon de route d'environ 50 à 300m, peu passant et dont le revêtement est de bonne qualité. Le tronçon est précisément déterminés via une fonction GPS et/ou par un capteur magnétique de comptage de tours de roues associé par exemple à un magnétomètre ou autre moyen permettant de discriminer le sens de déplacement, ce qui permet d'associer les mesures effectuées (vitesse,...) à une position x précise sur le tronçon.

Avantageusement, le trajet utilisé pour la mise en œuvre de la méthode selon l'invention correspond donc à un tronçon particulier d'un parcours, ledit tronçon présentant des conditions d'environnement favorables à la réalisation du protocole de test.

Exemples de mise en œuvre de la méthode:

Selon un premier exemple de mise en œuvre, le trajet a une longueur de 1000 m. Le véhicule est équipé d'un capteur de vitesse (ou d'un capteur de comptage de tours de roue, capable de déterminer la vitesse en plusieurs points du trajet) et d'un capteur de puissance. Les premiers déplacements aller et retour sont effectués avec une vitesse initiale (au point de départ du trajet) de 15km/h. La vitesse du véhicule oscille ensuite tout au long du trajet entre 10 et 20km/h. Les seconds déplacements sont effectués avec une vitesse initiale de 35km/h. La vitesse du véhicule oscille ensuite tout au long du trajet entre 35 et 30km/h.

Des valeurs initiales arbitraires de Cr, Cx.S et vvent sont respectivement 0,05, 0,5 m2 et 0 m/s. Les variations de dénivelés AH1, AH2 et AHcalculées à partir des paramètres connus, des paramètres mesurés lors des différents déplacements et de valeurs initiales arbitraires des facteurs Cr, Cx.S et vVent sont extraits.

La résolution des équations [équ.23], [équ.24] et [équ.25] mène à la détermination des 3 inconnues (ACr, ACx.S et Avvent) , corrections à apporter aux valeurs arbitraires initiales des facteurs caractéristiques ; ce qui donne par exemple les valeurs déterminées de Cr, Cx.S et vvent : respectivement de 0.046, 0.412 m2, 0.02 m/s.

Selon une variante, plusieurs itérations de calcul peuvent être opérées pour affiner la valeur déterminée, typiquement 5 à 10 itérations jusqu'à convergence des variations de dénivelés AH1, AH2 et AH(ou AH^'2) vers des valeurs milles.

Selon un deuxième exemple de mise en œuvre, le trajet a une longueur de 7 5 m. Le véhicule est équipé d'un capteur de vitesse (ou d'un capteur de comptage de tours de roue, capable de déterminer la vitesse en plusieurs points du trajet). Les premiers déplacements aller et retour sont effectués avec une vitesse initiale (au point de départ du trajet) de 15 km/h. Le véhicule réalise ensuite le trajet en roue libre. Les seconds déplacements sont effectués avec une vitesse initiale de 35 km/h. Le véhicule réalise ensuite le trajet en roue libre. Le déplacement en roue libre permet en particulier de s'affranchir de la mesure de la puissance motrice, et ainsi de s'affranchir des incertitudes de mesure des capteurs de puissance.

Les valeurs initiales arbitraires de Cr, Cx. S et vvent sont respectivement : 0.05, 0.5 m2, 0 m/s.

Les variations de dénivelés AH1, AH2 et sont calculées à partir des paramètres connus, des paramètres mesurés lors des différents déplacements et de valeurs initiales arbitraires des facteurs Cr, Cx.S et vvent ·

La résolution des équations [équ.23], [équ.24] et [équ.25] mène à la détermination des 3 inconnues (ACr, ACx.S et Avvent) / corrections à apporter aux valeurs arbitraires initiales des facteurs caractéristiques : ce qui donne les valeurs déterminées de Cr, Cx.S et vvent : 0.047, 0.414 m2, 0.01 m/s.

Selon une variante, plusieurs itérations de calcul peuvent être opérées pour affiner la valeur déterminée. Après 5 itérations jusqu'à convergence des variations de dénivelés AH1, AH et AHa' (ou AHr’ ) vers des valeurs nulles, on peut obtenir des valeurs déterminées finales de Cr, Cx.S et vvent ' 0.049, 0.404 m2, 0.036 m/s.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de mise en œuvre décrits et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications. A titre d'exemple, la détermination du profil d'altitude réel d'un trajet par réalisation du protocole selon la méthode de l'invention pourra être facilement adapté à une utilisation dans le domaine de la topographie des sols. A titre d'exemple également, d'autres types de sports dans lesquels la performance aérodynamique est importante, pourront bénéficier de cette méthode pour déterminer, en conditions réelles de pratique, des facteurs caractéristiques du véhicule et de son environnement, tels que la surface de trainée aérodynamique (Cx.S), le coefficient de roulement (Cr) et la vitesse du vent (vvent) ·

Claims

REVENDICATIONS

1. Méthode de détermination de facteurs caractéristiques d'un véhicule et de son environnement, en conditions réelles de déplacement sans freinage sur un trajet, exposé au vent; ladite méthode étant caractérisée en ce qu'elle comprend les étapes suivantes : • La mesure de la distance parcourue et de la vitesse du véhicule pour deux premiers déplacements, aller et retour, sur ledit trajet, dans des premières conditions de vitesse ; • La mesure de la distance parcourue et de la vitesse du véhicule pour deux seconds déplacements, aller et retour, sur ledit trajet, dans des secondes conditions de vitesse ; • La détermination des facteurs caractéristiques, incluant la surface de traînée aérodynamique (Cx.S), le coefficient de roulement (Cr) et la vitesse du vent (vVent) , à partir de 3 équations dérivées du principe de conservation de l'énergie et répondant aux 3 contraintes suivantes : iv. La somme des dénivelés du trajet, établis pour les deux premiers déplacements, à partir des mesures de l'étape a) s'annule ; v. La somme des dénivelés du trajet, établis pour les deux seconds déplacements, à partir des mesures de l'étape b) s'annule ; vi. Les dénivelés du trajet, établis pour un des premiers déplacements, aller ou retour, et pour l'un des seconds déplacements, respectivement aller ou retour, sont égaux.
2. Méthode de détermination, selon la revendication précédente, dans laquelle au moins deux conditions de vitesse parmi les premières conditions de vitesse aller et retour et les secondes conditions de vitesse aller et retour sont différentes.
3. Méthode de détermination, selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les deux premiers déplacements sont effectués avec une vitesse initiale inférieure à 25km/h et les deux seconds déplacements sont effectués avec une vitesse initiale supérieure à 25km/h.
4. Méthode de détermination, selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les deux premiers déplacements et/ou les deux seconds déplacements sont effectués en roue libre.
5. Méthode de détermination, selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle la puissance motrice pour effectuer les deux premiers déplacements et/ou pour effectuer les deux seconds déplacements est mesurée sur ledit trajet.
6. Méthode de détermination, selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'étape c) permet de déterminer le profil d'altitude réel du trajet, par calcul de la moyenne de deux premiers et de deux seconds profils d'altitude établis pour les deux premiers et les deux seconds déplacements, à partir des mesures des étapes a) et b) et des valeurs déterminées à l'étape c) des facteurs caractéristiques.
7. Méthode de détermination, selon la revendication précédente, dans laquelle un calcul reflétant la corrélation entre les différents profils d'altitude, par exemple un calcul d'écart type, permet de valider la précision des valeurs déterminées des facteurs caractéristiques.
8. Méthode de détermination, selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la température et la pression de l'air sont mesurées au cours des deux premiers et/ou des deux seconds déplacements et ces mesures sont utilisées à 1'étape c).
9. Méthode de détermination, selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle une nouvelle surface de traînée aérodynamique (Cx.S) peut être déterminée en réalisant les étapes additionnelles suivantes : • La mesure de la distance parcourue et de la vitesse du véhicule pour un troisième déplacement, aller ou retour, sur ledit trajet ou une portion dudit trajet, dans des troisièmes conditions de vitesse ; • La détermination de la nouvelle surface de traînée aérodynamique (Cx.S) et de la vitesse du vent (vvent) , à partir du coefficient de roulement (Cr) et du profil d'élévation réel déterminés à l'étape c) , d'une équation dérivée de la loi de la conservation d'énergie et des mesures de l'étape d).
10. Méthode de détermination, selon la revendication précédente, dans laquelle le troisième déplacement est effectué en roue libre ou dans laquelle la puissance motrice pour effectuer le troisième déplacement est mesurée sur ledit trajet.
11. Méthode de détermination, selon l'une des deux revendications précédentes, dans laquelle la valeur déterminée de la vitesse du vent (vvent) conduit à avoir une valeur calculée de la nouvelle surface de traînée aérodynamique (Cx.S) sensiblement constante sur ledit trajet, lors du troisième déplacement.
12. Méthode de détermination, selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le trajet correspond à au moins un tronçon déterminé d'un parcours, sur lequel le véhicule n'est pas soumis à des contraintes extérieures.
13. Méthode de détermination, selon la revendication précédente, dans laquelle les tronçons sont précisément déterminés par une fonction GPS et/ou par un capteur magnétique de comptage de tours de roues associé à un magnétomètre ou autre moyen permettant de discriminer un sens de déplacement.
14. Méthode de détermination, selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le trajet a une longueur inférieure à 1km, préférentiellement comprise entre 50m et 3 0 0m.
15. Méthode de détermination, selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les valeurs déterminées de la surface de traînée aérodynamique (CxS), du coefficient de roulement (Cr) et de la vitesse du vent (vvent) sont affichées sur un écran d'un dispositif.
16. Méthode de détermination, selon la revendication précédente, dans laquelle le dispositif est un compteur ou un terminal mobile.