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Géométrie des véhicules deux roues motorisés
La conception d’un système de reconstruction de trajectoire pour les véhicules V2RM nécessite des connaissances sur la géométrie, la cinématique et la dynamique d’un tel système complexe, compte tenu des contraintes mécaniques afin de comprendre les dépendances entre les forces appliquées sur ce système et les consignes du conducteur. En effet, dans ce chapitre nous présentons les principales caractéristiques géométriques d’un véhicule V2RM. Nous expliquons aussi les principes de base qu’il est nécessaire d’acquérir pour la bonne compréhension de la conduite d’un V2RM.
Dans notre étude, nous nous sommes basés sur les deux principales références qui se sont intéressées à ce sujet :
– R. Sharp : qui dans les années 1970, s’est intéressé au modèle moto et aux équations du mouvement des deux-roues [16,17, 18, 19, 20, 21]
– Vittore Cossalter : l’auteur du livre « motorcycle dynamics » [22] ainsi que de nombreux articles sur la dynamique moto, la modélisation du pneu et les simulateurs des deux-roues.
Descriptif d’un véhicule à deux roues
Un véhicule à deux roues est une structure mécanique composée de plusieurs éléments. Le moteur et les transmissions génèrent les efforts de traction et assurent leur transmission aux roues. Le châssis, la suspension et la fourche de direction ont pour vocation de guider le véhicule, la transmission des forces de traction et de freinage tout en assurant le confort du conducteur. Le châssis est destiné à abriter l’ensemble des éléments et permet de supporter et transmettre les efforts nécessaires au roulement de la moto. Les forces de freinage sont produites par le dispositif de freinage [23]. Dans son livre [22], V. Cossalter définit un V2RM, en considérant les suspensions comme étant rigides, comme un simple mécanisme spatial composé de quatre corps rigides :
– le corps arrière (le châssis, la selle, le réservoir, le moteur et le groupe de transmission) ;
– le corps avant (la fourche, le mécanisme de direction et le guidon) ;
– la roue avant ;
– la roue arrière.
Tenant compte des mouvements des quatre corps, les contraintes qui les relient ensemble et les contraintes des contacts pneu/sol, d’après Cossalter [22] un V2RM possède trois degrés de liberté associés à trois mouvements principaux :
– Le mouvement longitudinal de la moto (représenté par la rotation de la roue arrière).
– Le mouvement de roulis autour de la ligne droite qui relie les points de contact des roues avec le plan de la route.
– Le mouvement de braquage (rotation du guidon).
Pendant la conduite, le pilote gère ces trois mouvements en fonction de son style personnel et ses compétences. Le mouvement résultant et la trajectoire effectuée dépendent d’une combinaison, dans le domaine temporel, des trois mouvements relatifs aux trois degrés de liberté. Ceci génère une manœuvre, parmi des milliers possibles, qui représente le style personnel du pilote.
Ces considérations ont été formulées en supposant un mouvement sans glissement. Mais, en réalité, la génération des forces longitudinales (forces d’entrainement et de freinage) et des forces latérales nécessite un certain degré de glissement dans les deux sens, en fonction des conditions de la route. Le nombre de degrés de liberté dans ce cas est sept :
– déplacement vers l’avant de la moto
– angle de roulis
– angle de braquage
– glissement longitudinal de la roue avant (de freinage)
– glissement longitudinal de la roue arrière (poussée ou freinage),
– glissement latérale de la roue avant
– glissement latéral de la roue arrière.
L’effet gyroscopique de la roue
La rotation d’une roue de moto engendre un phénomène physique, appelé effet gyroscopique qui permet de maintenir la roue en équilibre autour de son axe central, lors de sa rotation. Plus elle tournera vite, plus l’effet sera important. Cet effet est fortement lié à la vitesse de rotation. Il s’oppose alors à tout mouvement cherchant à modifier la position de la roue, en particulier par rapport aux plans de la route. La modification de l’axe de rotation du moyeu de la roue est impliquée lorsque que l’on essaye de faire tourner la roue. Quel que soit l’angle que l’on souhaite lui donner et son axe, elle revient à son équilibre, soit horizontal (une toupie) soit vertical (une roue). Pour vaincre cet effet (en virage par exemple), il faut exercer sur le guidon un effort d’autant plus important que l’allure est élevée, d’où l’inclinaison de la moto. La force exercée sur le guidon que l’on tient est transmise à la roue. Inversement, la roue transmet des informations de la force au travers de la fourche et du guidon. Pour déclencher l’inclinaison de la moto vers le coté intérieur du virage, il faut exercer une force contraire sur le guidon, en braquant vers le sens contraire de la courbure du virage. Cet effet s’appelle le contre braquage.
Le contre braquage
Le contre-braquage, ou braquage inverse, est une technique permettant de négocier correctement un virage à allure soutenue ou même d’éviter un obstacle soudain (uniquement à vitesse élevée). Il s’agit d’amorcer le changement de direction par un basculement de la moto vers l’intérieur du virage à prendre. On provoque cette bascule par une brève action sur le guidon. L’action de contre braquage se décompose ainsi :
– pour un virage à gauche, pousser sur la partie gauche du guidon
– pour un virage à droite, pousser sur la partie droite du guidon .
Le roulis
Qui dit moto, dit roulis, principale caractéristique des véhicules deux-roues motorisés. Lors de la prise de virage, l’ensemble pilote + moto s’incline vers l’intérieur du virage d’un angle appelé « roulis » afin de faire face aux forces centrifuges et de garder l’équilibre en virage. Le roulis, appelé aussi angle d’inclinaison, est le résultat de l’effet gyroscopique sur la moto. Si le pilote veut prendre un virage, il doit tourner le guidon et donc créer un basculement (Effet gyroscopique). Le roulis est un mouvement de rotation d’un mobile autour de son axe longitudinale. Il dépend donc, dans le cas des V2RMs, de l’angle de braquage par rapport au sol. Ce dernier est fonction de l’angle de braquage du guidon ainsi que l’angle de chasse. Seul l’angle de braquage guidon est facilement mesurable. L’angle de braquage par rapport au sol est déduit du modèle de la moto.
Le tangage
Le tangage relève d’un grand intérêt en moto. C’est l’angle de plongé ou de cabrage de la moto matérialisé par une rotation autour de l’axe latéral. Lors des accélérations (ou décélérations), la moto a tendance à se délester de l’avant (ou de l’arrière), de telle sorte que le couple sur la roue arrière (ou avant) fait lever l’avant (ou l’arrière) de la moto, il y a donc :
– écrasement de l’amortisseur arrière ainsi que le relèvement de l’amortisseur avant lors d’une accélération
– écrasement de l’amortisseur avant ainsi que le relèvement de l’amortisseur arrière lors d’un freinage .
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Table des matières
Introduction Générale
1.1. Problématique et contexte du travail
1.2. Trajectoire de sécurité
1.2.1. Définition
1.2.2. Topologie d’un virage de sécurité
1.2.2.1. La zone d’entrée
1.2.2.2. La zone de découverte
1.2.2.3. La zone de sollicitation
1.2.2.4. La zone de sortie
1.2.3. Application
1.2.3.1. Evaluation objective de la prise des virages
1.2.3.2. Entrainement/réentrainement des conducteurs
1.3. Objectif des travaux
1.4. Contributions
1.5. Organisation du document
Chapitre 2 : Reconstruction de trajectoires Moto
2.1. Géométrie des véhicules deux roues motorisés
2.1.1. Descriptif d’un véhicule à deux roues
2.1.2. Eléments de base de la géométrie d’un V2RM
2.1.3. L’effet gyroscopique de la roue
2.1.4. Prise de virage en moto
2.1.4.1. Le contre braquage
2.1.4.2. Le roulis
2.1.4.3. Le tangage
2.1.4.4. Le lacet
2.1.5. Angles de carrossage
2.2. Modèles cinématiques
2.2.1. Modèle de Cossalter
2.2.1.1. Angle de braquage effectif
2.2.1.2. Courbure de la trajectoire
2.2.2. Modèle bicyclette
2.2.2.1. Calcul de l’angle braquage effectif
2.2.2.2. Calcul du rayon de courbure des roues
2.2.2.3. Méthode de tracé de trajectoire
2.2.3. Modèle de Meijaard
2.2.3.1. Les degrés de libertés de ce modèle
2.2.3.2. Les équations linéarisées du mouvement
2.3. Techniques de localisation
2.3.1. Localisation absolue
2.3.1.1. Les avantages du système GPS
2.3.1.2. Les inconvénients du système GPS
2.3.2. Localisation à l’estime
2.3.2.1. Les odomètres
2.3.2.2. Les systèmes de navigation inertielle INS
2.3.2.3. Systèmes de références et de coordonnées
2.3.2.4. Reconstitution de la position à partir des données inertielles
2.3.2.5. Avantages et inconvénients de la localisation à l’estime
2.3.2.6. Comparaison entre les deux systèmes de positionnement GPS et INS
2.3.3. Méthodes de fusion de données (localisation hybride)
2.3.3.1. Filtre de Kalman
2.3.3.2. Fusion de données GPS/INS
2.3.3.3. Fusion des données INS/Odomètre
2.4. Reconstruction des trajectoires : Etat de l’art
2.4.1. Reconstruction de trajectoires motos
2.4.2. Reconstruction de trajectoires des voitures
2.4.3. Tableau de synthèse des travaux cités
2.5. Conclusion
Chapitre 3 : Plateforme et Méthodologie d’évaluation
3.1. Plateforme expérimentale et circuit des expérimentations
3.1.1. Architecture du système
3.1.2. Capteurs embarqués
3.1.3. Circuit des expérimentations
3.2. Prétraitement des données capteurs
3.2.1. Filtrage des données capteurs
3.2.1.1. Caractérisation des signaux
3.2.1.2. Synthèse des filtres
3.2.2. Correction de la trajectoire de référence
3.3. Validation des données expérimentales
3.3.1. Synchronisation des données par rapport au GPS
3.3.2. Remplacement des données manquantes et aberrantes
3.4. Conclusion
Chapitre 4 : Evaluation des méthodes de reconstruction de trajectoires V2RM
4.1. Trajectoire de référence
4.2. Evaluation des modèles cinématique
4.2.1. Validation du modèle géométrique
4.2.1.1. Ligne droite
4.2.1.2. Angle guidon avec offset
4.2.1.3. Deux offset de signe différent
4.2.1.4. Trajectoire mixte
4.2.1.5. Combinaison des cas précédents
4.2.2. Evaluation des modèles cinématiques
4.2.3. Evaluation des méthodes de localisation
4.2.3.1. Implémentation de la fusion INS/GPS
4.2.3.2. Evaluation de la fusion INS/GPS
4.2.3.3. Evaluation de la fusion INS/Odomètre
4.3. Conclusion
Conclusion Générale
