Simulateur de conduite - CCP PSI 2014

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centre d'intérêt:cinématique du solide

Un simulateur est un dispositif dont la fonction principale est de reproduire le plus fidèlement possible le comportement d’un système de référence (réel).

Par rapport à la conduite sur route, les simulateurs de conduite offrent trois avantages majeurs :

  • ils présentent un environnement sans danger pour le conducteur (par exemple pour tester des accidents virtuels) ;
  • une même expérience peut être répétée aussi souvent que nécessaire dans des conditions identiques ;
  • ils permettent une économie considérable.


Ainsi, les simulateurs de conduite sont utilisés dans de nombreux domaines :

  • travaux de recherche sur le comportement humain ;
  • étude et amélioration de la sécurité ;
  • aide à la conception de véhicule ou de l’environnement routier ;
  • apprentissage à moindre coût ;
  • loisir...

Le simulateur étudié dans ce sujet est un simulateur de course automobile à deux degrés de liberté utilisé par des particuliers dans le domaine du loisir (voir ci-dessous).


Racing simulator1.jpgSimxperience1.png


Vidéo montrant un simulateur à 3 axes (rotation autour de z en plus des deux autres rotations) http://youtu.be/HJoi-1g0IzI

Mise en évidence de la problématique[modifier]

La restitution des accélérations est un problème complexe compte-tenu des fonctions contraintes énoncées dans le diagramme des inter-acteurs et de la connaissance imparfaite de la perception humaine.

Pour mettre en évidence la nécessité d’adopter une stratégie de commande du simulateur particulière, on s’intéresse aux accélérations ressenties lors d’une conduite sur circuit. Le logiciel du jeu vidéo fournit différentes informations dont l’accélération longitudinale (dans le sens d’avance de la voiture) et latérale (voir figure 5) de la voiture par rapport au sol, mais aussi le régime moteur, l’enfoncement des pédales d’accélérateur et de frein. Ces informations sont utiles à deux niveaux : elles servent de consignes d’entrée pour le simulateur mais elles peuvent également être employées pour analyser une course.

Simulateur de conduite - fig 5 .png Simulateur de conduite - fig 6 .png Simulateur de conduite - fig 7-8 .png

La figure 6 représente ainsi des données extraites lors d’une course sur une portion de circuit telle que décrite sur la figure 7.

Q1. Indiquer, en justifiant à l’aide des courbes, pour les zones numérotées 1 à 5 de la figure 6 s’il s’agit d’une zone d’accélération, de freinage, de virage à gauche ou virage à droite. Préciser à quoi correspondent les 2 parties entourées dans la zone 1 (s’aider des autres courbes).


Les profils typiques d’accélération longitudinale observés pendant la course précédente sont modélisés par des lois trapèzes d’une hauteur d’environ 1 g (avec g = 9,81m · s−2) pendant `t_m = 3 s` et de temps de montée ou de descente `t_a = 0,4 s` comme indiqué sur la figure 8.

On supposera pour simplifier les calculs que les vitesse et position initiales sont nulles.


Q2. Déterminer les distances parcourues pendant la phase de montée (entre t = 0 s et t = 0,4 s) et la phase à accélération constante (entre t = 0,4 s et t = 3,4 s). Faire les applications numériques.

Cette étude a permis de montrer qu’il était nécessaire de mettre en place une stratégie de commande de déplacement du siège spécifique qui donne l’illusion au pilote d’être soumis à de telles accélérations.

Architecture du système[modifier]

Le simulateur est constitué :

  • d’une unité centrale munie d’un jeu vidéo et du logiciel de génération de consigne de mouvement ;
  • d’un volant et d’un pédalier ;
  • d’un écran et d’enceintes audio ;
  • d’une structure articulée supportant le siège ;
  • de deux vérins asservis linéaires mettant en mouvement le siège par l’intermédiaire de la structure articulée ;
  • d’un boîtier (nommé SX3000) gérant à la fois l’alimentation des vérins et la communication entre l’unité centrale et les vérins.

Q3. Regrouper les constituants en deux catégories : chaîne d’information et chaîne d’énergie. Un élément, de par sa constitution, sera placé dans les deux chaînes. Réaliser le synoptique du système faisant apparaître la chaîne d'information et la chaîne d'énergie.

Stratégie de commande[modifier]

La structure articulée possède deux degrés de liberté (roulis et tangage) comme indiqué sur la figure 9. La partie I a montré qu’il est indispensable de mettre au point une stratégie de commande des degrés de liberté qui permette de recréer les accélérations subies par le pilote pour respecter un encombrement réduit.

Simulateur de conduite - fig 9 .png

La stratégie de commande classique est basée sur une séparation fréquentielle des accélérations extraites du jeu vidéo en deux parties. Le schéma-bloc de la figure 10 montre le principe de la commande sur l’angle de tangage α. Dans tout le sujet, seules les accélérations longitudinales (commande de l’angle de tangage) seront considérées. Une stratégie similaire est adoptée pour l’angle de roulis.

Simulateur de conduite - fig 10 .png

L’objectif de cette partie est de déterminer les fonctions de transfert intervenant dans ce schémabloc et de vérifier que cette méthode permet de fournir une consigne d’angle adaptée à l’encombrement du simulateur. La vérification globale de la stratégie vis-à-vis de la restitution des accélérations longitudinales sera faite en fin de sujet.

Principe[modifier]

On note `R_0(O, vec x_0, vec y_0, vec z_0)` le repère associé au sol (0), supposé galiléen.

Le paramétrage est défini sur la figure 11. L’ensemble {conducteur + siège} est noté (1) et est en rotation par rapport au sol (0) autour d’un axe `(O, vec y0)`.

On associe le repère `R_1(O, vec x_1, vec y_1, vec z_1)` à l’ensemble (1) et on note `α = (vec x_0, vec x_1) = (vec z_0, vec z_1)` l’angle de tangage de (1) par rapport à (0).

Simulateur de conduite - fig 11 .png

Un point de la tête proche de l’oreille interne du pilote noté A est défini par : `vec (OA) = h vec z_1`.

L’accélération de la pesanteur est `vec (g) = − g vec (z_0)` avec `g = 9,81 m · s^(−2)`.

Le siège est piloté de telle manière que l’accélération donnée par le jeu vidéo soit équivalente à l’accélération ressentie par le pilote sur le siège.

En notant `vec a_T` l’accélération du véhicule, on obtient la définition suivante :

`vec (a_T) = a_(Tx) vec (x_1) + a_(Tz) vec (z_1) = vec (a_(A, 1//0)) − vec g`.

Q6. Montrer que :

`a_(Tx) = h ddot α − g sin(α)` et `a_(Tz) = − h dot α^2 + g cos(α)`.

Dans la stratégie adoptée, l’accélération ressentie `a_(Tx)` est décomposée en deux parties `a_(Tx) = a_(mov) + a_("tilt")`. La composante `a_("tilt")` correspond à la partie de l’accélération maintenue tandis que la composante `a_(mov)` caractérise les variations rapides d’accélération.